Reazione dell'alluminio e dell'acciaio inossidabile: come prevenire la corrosione galvanica

In un parco solare, i registri di manutenzione raccontavano una storia familiare. Depositi bianchi e gessosi si stavano diffondendo attorno ai bulloni in acciaio inossidabile sulle guide di montaggio in alluminio e sotto ciascuna testa dei bulloni erano iniziati i fenomeni di vaiolatura. Questa è la reazione pratica dell'alluminio e dell'acciaio inossidabile ed è una delle cause più comuni di guasto prematuro negli assemblaggi di metalli misti. La reazione non significa che i due metalli non possano mai essere usati insieme. Significa che il giunto deve essere progettato con una chiara comprensione della corrosione galvanica, che è esattamente ciò che fornisce questo articolo.

Cos'è in realtà la reazione tra alluminio e acciaio inossidabile

La reazione tra alluminio e acciaio inossidabile è una forma di corrosione galvanica, chiamata anche corrosione bimetallica. Quando i due metalli sono in contatto elettrico ed entrambi sono esposti ad un elettrolita, sia esso spruzzi di mare, acqua piovana, condensa o semplicemente umidità persistente, formano una coppia galvanica. L'alluminio, il metallo meno nobile, diventa l'anodo e inizia a rilasciare ioni metallici. L'acciaio inossidabile, il metallo più nobile, diventa il catodo. Gli elettroni viaggiano dall'anodo al catodo attraverso la connessione metallica e l'elettrolita completa il circuito elettrico. Il risultato è che l’alluminio si corrode molto più velocemente di quanto farebbe da solo.

Non si tratta di un attacco chimico dell'acciaio inossidabile sull'alluminio. L'acciaio inossidabile agisce semplicemente come un catodo grande ed efficiente che accelera la naturale corrosione dell'alluminio. I segni visibili sono distintivi: prodotti di corrosione bianchi o grigi sulla superficie dell'alluminio, vaiolature attorno alla testa o alla rondella del dispositivo di fissaggio e, nei casi più gravi, una graduale perdita della forza di serraggio man mano che l'alluminio perde spessore.

Le tre condizioni che devono essere presenti

La corrosione galvanica non è automatica. Richiede tre condizioni simultanee e la rimozione di una qualsiasi di esse interrompe la reazione.

• Contatto elettrico. I due metalli devono essere collegati tramite un percorso conduttivo. Un bullone in acciaio inossidabile inserito in una guida in alluminio o una staffa in alluminio fissata da un dado in acciaio inossidabile forniscono esattamente questo percorso.
• Un elettrolita. Un fluido conduttivo deve collegare le due superfici. L’acqua salata è l’elettrolita più aggressivo, ma l’acqua piovana, la condensa e persino l’umidità assorbita sotto un rivestimento possono innescare la reazione a una velocità significativa.
• Una differenza di potenziale elettrochimico. I metalli devono differire nella loro tendenza a corrodersi. L'alluminio e l'acciaio inossidabile differiscono di circa mezzo volt nell'acqua di mare, il che è più che sufficiente per sostenere una corrosione significativa.

La conseguenza pratica è semplice: mantenere i metalli asciutti, tenerli separati elettricamente o accettare che l’alluminio si corroda. Ogni metodo di prevenzione efficace attacca una di queste tre condizioni.

Perché l'alluminio è sempre il metallo sacrificale

Ogni metallo ha una posizione nella serie galvanica, che classifica i materiali in base al loro potenziale di corrosione in un dato ambiente. Nell'acqua di mare, l'acciaio inossidabile si trova ben al di sopra dell'alluminio. Ciò significa che l'acciaio inossidabile è il catodo e l'alluminio è l'anodo ogni volta che i due sono collegati in un assemblaggio bagnato.

Vale la pena conoscere una sfumatura. L'acciaio inossidabile è nobile solo quando il suo strato di ossido passivo è intatto. All'interno di una fessura povera di ossigeno, come lo spazio sotto la testa di un bullone o tra superfici strettamente fissate, l'acciaio inossidabile può perdere il suo strato passivo e diventare attivo. Questo è il motivo per cui la corrosione interstiziale appare sugli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile anche senza la presenza di alluminio. In una coppia alluminio-acciaio esposta alle intemperie, tuttavia, il risultato pratico è coerente: l’alluminio è il metallo che perde materia.

Quando alluminio e acciaio inossidabile possono essere utilizzati insieme in modo sicuro

La reazione tra alluminio e acciaio inossidabile non è inevitabile. Innumerevoli assemblaggi di metalli misti hanno garantito una lunga durata perché non sono mai state soddisfatte le condizioni per la corrosione galvanica.

• Ambienti interni e asciutti. Un interno riscaldato e ventilato raramente fornisce abbastanza elettrolita per sostenere la corrosione galvanica, quindi la coppia può rimanere inattiva per decenni.
• Giunti sigillati. Se l'interfaccia è rivestita con un sigillante compatibile o separata da una barriera antiumidità, l'elettrolita non può raggiungere la giunzione e il circuito rimane aperto.
• Un rapporto di superficie favorevole. Quando la parte in alluminio è grande e la parte in acciaio inossidabile è piccola, la corrente galvanica si diffonde su un'ampia superficie di alluminio, quindi il tasso di corrosione locale può essere accettabile per la durata prevista. Il caso pericoloso è il contrario: un piccolo componente di alluminio attaccato ad una grande struttura di acciaio inossidabile concentra tutta la corrosione su un piccolo anodo e si rompe rapidamente.

Per il servizio all'aperto o in mare, il presupposto conservativo è che prima o poi sarà presente umidità. Nelle scaffalature solari, nei rivestimenti architettonici, nell'hardware delle imbarcazioni e nelle attrezzature industriali esposte alle intemperie, la prevenzione è un requisito di progettazione piuttosto che un'opzione.

Come prevenire la corrosione galvanica negli assemblaggi di metalli misti

Il modo più affidabile per fermare la corrosione galvanica è interrompere il circuito elettrico tra i due metalli o tenere l'elettrolita lontano dalla giunzione. Diverse misure funzionano bene se combinate.

1. Isolare con barriere non conduttive. Una rondella in nylon o fibra sotto la testa del dispositivo di fissaggio in acciaio inossidabile, combinata con un manicotto isolante sopra il gambo del bullone, impedisce il contatto diretto metallo con metallo. Questo è il metodo più efficace.
2. Sigillare la giunzione. Un sigillante a base di polisolfuro, poliuretano o butile applicato attorno alla testa del dispositivo di fissaggio e lungo il bordo del giunto esclude l'umidità e separa fisicamente le superfici.
3. Utilizzare i rivestimenti con cautela. Il rivestimento a polvere o la verniciatura dell'alluminio prima dell'assemblaggio aggiunge una barriera, ma qualsiasi graffio o scheggiatura può creare un anodo locale. I rivestimenti non dovrebbero mai essere l’unica linea di difesa.
4. Design per il drenaggio. Posizionare il giunto in modo che l'acqua defluisca lontano dal dispositivo di fissaggio invece di accumularsi attorno ad esso.

Una rondella piana in acciaio inox ha un doppio ruolo in questo sistema. Distribuisce il carico di serraggio su un'area più ampia, che è importante sull'alluminio morbido, e fornisce una superficie di appoggio liscia per la testa del dado o del bullone. Di per sé non arresta la corrosione galvanica a meno che non sia separato dall'alluminio da uno strato isolante. Se abbinata a una rondella in nylon o a un cordone di sigillante, una rondella piatta in acciaio inossidabile 304 offre una lunga durata e prestazioni di bloccaggio costanti.

Rondella piatta SS304 per bulloni M10, DIN125/GB97 Questa rondella piatta in acciaio inossidabile 304 distribuisce i carichi di serraggio sull'alluminio morbido e fornisce una superficie di appoggio liscia, sebbene l'isolamento galvanico richieda comunque uno strato di separazione. Visualizza il prodotto →

Selezione del giusto grado di fissaggio in acciaio inossidabile

Se il progetto richiede elementi di fissaggio in acciaio inossidabile a contatto con l'alluminio, le due scelte standard sono l'acciaio inossidabile 304(A2) e 316 (A4). Entrambi sono gradi austenitici con una resistenza alla corrosione di gran lunga migliore rispetto all'acciaio al carbonio ed entrambi si trovano in posizioni simili nella serie galvanica. La selezione non modifica il comportamento galvanico della coppia. Nessuno dei due gradi è significativamente migliore dell'altro nel proteggere l'alluminio, quindi la decisione riguarda in realtà la capacità di sopravvivenza dell'elemento di fissaggio stesso nell'ambiente di servizio.

L'acciaio inossidabile 304 è l'acciaio inossidabile predefinito per la maggior parte dei lavori industriali e architettonici. Resiste alla corrosione atmosferica, all'acqua dolce e ad un'ampia gamma di sostanze chimiche. Per un impianto solare interno o la facciata di un edificio, un dispositivo di fissaggio in acciaio inossidabile di grado 304 è una scelta collaudata ed economica. Sia 304 che 316 sono prodotti secondo gli standard DIN 933, GB5783 e ISO 4017 e la nostra guida a Bulloni esagonali in acciaio inossidabile 304 contro 316 confronta i due gradi in modo più dettagliato.

Bullone a testa esagonale SS304 M10, norma DIN933 Un bullone in acciaio inossidabile 304 collaudato ed economico per ambienti interni o generali, che offre resistenza alla corrosione atmosferica e prestazioni di carico affidabili per le connessioni strutturali. Visualizza il prodotto →

L'acciaio inossidabile 316 aggiunge molibdeno, che migliora la resistenza ai cloruri. Le installazioni costiere, l'hardware delle imbarcazioni e qualsiasi ambiente esposto al sale stradale dovrebbero utilizzare 316 per gli elementi di fissaggio, poiché l'elemento di fissaggio deve durare più a lungo dell'assemblaggio nelle condizioni più impegnative. Come regola generale, il gamma di elementi di fissaggio in acciaio inossidabile per i progetti con metalli misti dovrebbe essere selezionato sulla base dell'esposizione al cloruro, non sul presupposto che un grado diverso proteggerà in qualche modo l'alluminio.

Per un'installazione costiera, l'abbinamento di un dado esagonale 316 con un bullone 316 è l'opzione più affidabile, in particolare per le connessioni filettate che verranno ispezionate nel tempo. La differenza di resistenza alla corrosione tra 304 e 316 in atmosfera marina è sufficientemente significativa da giustificare il costo più elevato del 316.

Dado esagonale SS316 M10, norma DIN934 Un dado esagonale in acciaio inossidabile 316 con grado A4-80, progettato per ambienti marini e ricchi di cloruro, che fornisce un serraggio sicuro e resistenza alla corrosione a lungo termine se abbinato a bulloni 316. Visualizza il prodotto →

Linee guida pratiche per l'assemblaggio

Gli assemblaggi di metalli misti falliscono quando vengono saltati gli elementi di base. La seguente sequenza si è dimostrata efficace per il montaggio di pannelli solari, hardware per ponti marini, telai industriali e strutture architettoniche in alluminio.

1. Pulire entrambe le superfici di contatto prima del montaggio. Grasso, sabbia o contaminazione conduttiva possono creare una cella di corrosione anche quando la progettazione è corretta.
2. Installare prima lo strato isolante. Posizionare una rondella di nylon o un cordone di sigillante sotto la testa del dispositivo di fissaggio in acciaio inossidabile e sulla superficie di appoggio del dado.
3. Serrare alla coppia nominale. Una coppia eccessiva schiaccia lo strato isolante, distorce l'alluminio e lascia il giunto vulnerabile sia alla corrosione galvanica che al rilassamento da stress.
4. Ispezionare dopo la prima stagione di esposizione. La corrosione iniziale appare come polvere bianca o lieve vaiolatura. Se viene scoperto, la soluzione è una rondella sostitutiva e una piccola quantità di sigillante, non una riparazione strutturale.

Niente di tutto ciò dovrebbe scoraggiare ingegneri e costruttori dall’utilizzare insieme alluminio e acciaio inossidabile. I due materiali funzionano bene come sistema quando vengono seguite le regole di cui sopra. L'alluminio si corrode solo se il circuito galvanico rimane integro e quel circuito è facile da interrompere.