L'acciaio inossidabile corrode l'alluminio? La corrosione galvanica spiegata agli ingegneri

Un bullone in acciaio inossidabile trasformato in una staffa in alluminio sembra una scelta sensata: entrambi i metalli resistono alla ruggine, nessuno dei due necessita di verniciatura e il giunto dovrebbe durare più a lungo della macchina attorno ad esso. Poi passa un'estate costiera o una stagione di pulizie di lavaggio e l'alluminio attorno al foro del bullone è ricoperto di pasta bianca e gessosa, i fili sembrano allentati, mentre la parte in acciaio inossidabile sembra ancora nuova. Non c'è niente di sbagliato con il dispositivo di fissaggio. L'alluminio si è consumato come anodo di una cella galvanica creata dal giunto stesso.

Questo meccanismo risponde alla domanda dietro questa pagina. L'acciaio inossidabile non corrode chimicamente l'alluminio, ma una parte in acciaio inossidabile a diretto contatto con l'alluminio può corrodere l'alluminio molto più velocemente di quanto farebbe da solo, a volte in pochi mesi.

La risposta breve: l’alluminio si corrode, l’acciaio inossidabile no

Quando l'alluminio e l'acciaio inox si toccano in presenza di umidità formano una coppia galvanica. Un metallo diventa l'anodo e perde materiale; l'altro diventa il catodo ed è protetto. In questo abbinamento l'alluminio è sempre l'anodo, perché nella serie galvanica si trova ben al di sotto dell'acciaio inox.

La forza trainante è la differenza nel potenziale di corrosione. Nell'acqua di mare, le leghe di alluminio si trovano a circa -0,75 V e -0,90 V rispetto a un elettrodo a calomelano saturo, mentre l'acciaio inossidabile passivato 304 e 316 si trova a circa -0,05 V e 0,10 V. Questo divario di circa 0,6 V e 0,8 V è molto al di sopra della soglia di 0,25 V che gli ingegneri comunemente usano per segnalare un rischio galvanico, motivo per cui questa combinazione viene trattata come una preoccupazione seria piuttosto che come un problema estetico.

Tre condizioni devono allinearsi prima che succeda qualcosa

La corrosione galvanica non è automatica. Tutti e tre i seguenti elementi devono essere presenti contemporaneamente:

1. Una differenza di potenziale abbastanza grande da condurre corrente tra i due metalli.
2. Contatto elettrico, contatto diretto metallo-metallo o contatto attraverso una pellicola liquida conduttiva.
3. Un percorso elettrolitico continuo collega entrambe le parti: condensa, pioggia, acqua di lavaggio, spruzzi di mare o una pellicola salina umida.

Rimuovi uno qualsiasi dei tre e la reazione si interrompe. I giunti interni asciutti in edifici climatizzati, dove non sono presenti cloruri, spesso sopravvivono per decenni con leggere macchie. I giunti sul campo si guastano più velocemente a causa del ciclo umido-asciutto: ogni ciclo di asciugatura concentra i cloruri nella fessura sotto la testa del bullone o una rondella e ogni ciclo di bagnatura riavvia la corrente a una concentrazione maggiore rispetto a prima.

I fattori che decidono quanto diventa grave

Due giunti identici tra alluminio e acciaio inossidabile possono differire di un ordine di grandezza in termini di durata. La tabella seguente mostra ciò che effettivamente determina il risultato.

Nota cosa manca nell'elenco: la marca o il prezzo del dispositivo di fissaggio. Un bullone in acciaio inossidabile di prima qualità non riduce il rischio galvanico e in alcuni casi lo aumenta leggermente.

Perché un dispositivo di fissaggio in acciaio inossidabile migliore può peggiorare la giunzione

L'acciaio inossidabile si protegge con una pellicola di ossido di cromo che si riforma entro pochi secondi dopo essere stato graffiato. Quella stessa pellicola rende il metallo un catodo efficiente: più l’acciaio inossidabile è resistente alla corrosione, più si avvicina a un elettrodo inerte e maggiore è la corrente galvanica che spinge verso l’alluminio. In un giunto misto di metalli l'alluminio si sacrifica, mentre la parte inossidabile presenta solo un deposito bianco o grigio e qualche scolorimento dovuto ai prodotti della corrosione dell'alluminio.

Ne conseguono due conseguenze. Il danno è invisibile sulla parte ispezionata dalla maggior parte delle persone e la fessura tra la testa del bullone, la rondella e la superficie dell'alluminio intrappola i cloruri limitando l'ossigeno, quindi l'alluminio si infossa localmente e il giunto può perdere forza di serraggio senza alcun segno esterno evidente.

La scelta della qualità conta meno per la coppia stessa che per la sopravvivenza stessa dell'acciaio inossidabile. La differenza potenziale tra l'alluminio e il 304 è quasi la stessa che tra l'alluminio e il 316, quindi l'aggiornamento non elimina il rischio; impedisce all'elemento di fissaggio di penetrare nei cloruri, mantenendo prevedibile l'area del catodo. Confronto Bulloni esagonali in acciaio inossidabile 304 e 316 prima di specificare il servizio costiero o di lavaggio valgono venti minuti.

Cinque modi per rompere la cella galvanica

Prevenire significa interrompere una delle tre condizioni e le opzioni pratiche si collocano grosso modo in questo ordine di efficacia:

• Isolare i metalli. Rondelle, manicotti e boccole in nylon, PTFE, EPDM o plastica rinforzata con fibre mantengono l'alluminio e l'acciaio inossidabile lontani dal contatto elettrico. Una semplice rondella inossidabile non isola nulla; allarga solo il catodo.
• Rivestire il lato in alluminio. L'anodizzazione, la conversione del cromato, la verniciatura a polvere o un sistema di primer evitano che l'anodo venga esposto. Rivestire la parte in acciaio inossidabile è meno utile, perché non è necessario che il catodo si corroda affinché la coppia funzioni.
• Sigillare e drenare il giunto. Un sigillante siliconico o poliuretanico a polimerizzazione neutra mantiene l'elettrolita fuori dall'interfaccia e un percorso di drenaggio impedisce l'accumulo di acqua. Non fare affidamento solo sul sigillante se il giunto è sommerso o spruzzato continuamente.
• Controlla il rapporto dell'area. Laddove il contatto è inevitabile, mantenere l'anodo di alluminio grande e il catodo di acciaio piccolo. Sono accettabili alcune viti inossidabili in una grande piastra di alluminio; i piccoli rivetti di alluminio su una grande lamiera inossidabile non lo sono.
• Accettare un materiale sacrificale quando è pianificata la manutenzione. Gli elementi di fissaggio zincati sono anodici rispetto all'alluminio e lo proteggeranno, a costo di consumare il rivestimento e infine di arrugginirsi. Questo compromesso si adatta alle apparecchiature di breve durata con manutenzione programmata, non a una struttura installata in modo permanente.

Dove questi giunti falliscono nelle installazioni reali

Strutture di montaggio solare

Le guide in alluminio e i telai dei moduli fissati con bulloni in acciaio inossidabile sono standard sugli array con montaggio a terra e sul tetto. I giunti interni di solito invecchiano bene, ma le strutture costiere, i siti agricoli con ammoniaca e polvere e i luoghi con forte rugiada mostrano un prodotto di corrosione bianca attorno ai bulloni di fissaggio dopo due o tre anni. Le rondelle isolanti sull'interfaccia tra binario e morsetto e le fessure di drenaggio all'estremità inferiore di ciascun binario risolvono la maggior parte del problema.

Hardware marino e offshore

Le sovrastrutture in alluminio, i corrimano e gli accessori di coperta sono comunemente imbullonati con elementi di fissaggio inossidabili. In questo caso l'acciaio inossidabile 316 o una lega superiore è la linea di base, l'alluminio dovrebbe essere di grado 5xxx o 6xxx e il giunto dovrebbe essere rivestito di sigillante con un tampone isolante. Laddove i livelli di cloruro sono elevati e gli intervalli di ispezione sono lunghi, la scelta comune è un dado esagonale M10 conforme a DIN 934 in grado 316.

Dadi esagonali M10 SS316 DIN934 Per le sovrastrutture in alluminio e gli accessori di coperta, questo dado SS316L M10 DIN934 corrisponde al dado esagonale di grado 316 comunemente specificato per giunti ricchi di cloruro. Visualizza il prodotto →

Facciate, finestre e ringhiere

I telai delle finestre in alluminio, le staffe per facciate continue e i corrimano sono spesso fissati con viti e tasselli inossidabili. La pioggia, i sali antigelo a livello stradale e la condensa interna forniscono l'elettrolito. Il cedimento si manifesta inizialmente come macchie sull'alluminio e come fissaggi allentati nelle sezioni inferiori della facciata, dove si raccoglie l'acqua.

Cosa inserire nell'ordine di acquisto

Un fornitore di elementi di fissaggio può controllare solo il metallo che spedisce, quindi le specifiche devono coprire l'intero giunto. Nell'ordine appartengono quattro linee per qualsiasi assemblaggio da alluminio a acciaio inossidabile, ad esempio bulloni a testa esagonale SS304 secondo DIN 933, dadi esagonali SS316 secondo DIN 934, rondelle piatte SS304 secondo DIN 125 o barre filettate SS304 secondo DIN 975:

• Grado, materiale e standard per ogni parte, quindi bulloni, dadi e rondelle corrispondono.
• I componenti isolanti sono elencati separatamente, con materiale, durezza e spessore, in modo che arrivino come kit invece di essere acquistati successivamente.
• Finitura dell'alluminio, inclusa classe di anodizzazione e spessore, oltre al tipo di sigillante approvato per l'interfaccia.
• Documentazione e ispezione: certificati dei materiali, dati dei test di rivestimento e un'ispezione congiunta del primo anno nel piano di manutenzione.

Bulloni a testa esagonale SS304 DIN933 M10 Per gli assemblaggi da alluminio a acciaio inossidabile, questo bullone esagonale SS304 DIN933 M10 è una linea di dispositivi di fissaggio specifica, disponibile in lunghezze da 16 mm a 200 mm. Visualizza il prodotto →

Un discorso a parte meritano i composti antigrippanti. Le paste a base di rame e grafite sono catodiche rispetto all'alluminio e accelerano l'attacco all'interno di una filettatura, quindi un prodotto riempito con ceramica o a base di PTFE è la scelta più sicura sulle filettature di alluminio.

La conclusione onesta è che l’acciaio inossidabile non corrode l’alluminio, ma lo fa corrodere. La parte inossidabile non è difettosa e nessun intervento di lucidatura o miglioramento ne modificherà l'elettrochimica. Ciò che cambia il risultato sono l'isolamento, il drenaggio, il rivestimento e la disciplina nel mantenere la rondella isolante nel giunto, decisioni che sono più economiche in fase di disegno e più costose dopo la prima stagione di servizio.