L'acciaio inossidabile reagisce con l'alluminio? Spiegazione della corrosione galvanica

Una squadra di manutenzione presso un impianto di trattamento delle acque costiere ha sostituito una staffa di montaggio in acciaio con una equivalente in alluminio e ha riutilizzato i bulloni SS304 originali. Dieci mesi dopo i bulloni sembravano intatti. L'alluminio attorno a ogni foro dei bulloni era diventato bianco gesso e si era ridotto a circa la metà del suo spessore originale.

Questo risultato sbilanciato risponde direttamente alla domanda. L'acciaio inossidabile reagisce con l'alluminio e la reazione è corrosione galvanica. Raramente danneggia l'acciaio inossidabile. Consuma l'alluminio. L'importanza in un determinato assemblaggio dipende dall'umidità, dal contatto elettrico e dalla durata di vita del giunto.

La risposta è breve: sì, reagiscono, ma devono verificarsi tre condizioni

La corrosione galvanica necessita di tutti e tre i seguenti elementi contemporaneamente: due metalli con potenziali elettrochimici diversi, un contatto elettrico diretto tra loro e un elettrolita per trasportare gli ioni. L'elettrolita è solitamente un film di acqua, condensa, nebbia salina o aria umida che trasporta cloruri. Rimuovi uno qualsiasi dei tre e la reazione si interrompe effettivamente.

Quando sono presenti tutti e tre, l’alluminio si trova molto al di sotto dell’acciaio inossidabile nella serie galvanica. Nell'acqua di mare il potenziale divario tra una superficie passiva inossidabile e l'alluminio è di circa 0,6-0,9 volt, che rappresenta una grande forza trainante per gli standard di fissaggio. L'alluminio diventa l'anodo e perde metallo. L'acciaio inossidabile diventa il catodo ed è protetto proprio dalla disposizione che danneggia il suo vicino.

Nel servizio interno a secco, un giunto acciaio-alluminio è generalmente stabile per decenni. In atmosfera marina lo stesso giunto può mostrare una perdita visibile di alluminio nell’arco di una sola stagione.

Perché la reazione prende di mira l'alluminio e risparmia l'acciaio inossidabile

La serie galvanica decide quale metallo perde

La serie classifica i metalli in base alla facilità con cui cedono elettroni in un dato ambiente. L'SS316 si trova sopra l'SS304 ed entrambi si trovano ben al di sopra dell'alluminio. Questa classifica è fissata dalla chimica piuttosto che dalla finitura superficiale, quindi lucidare o verniciare l'alluminio non cambia il metallo che funge da anodo.

Il rapporto dell'area è la regola che la maggior parte delle persone applica al contrario

La velocità di attacco dipende fortemente dal rapporto tra l'area dell'anodo e l'area del catodo. Un piccolo anodo che alimenta un grande catodo si corrode molto velocemente, perché la corrente proveniente da una grande superficie catodica si concentra su una minuscola porzione di metallo anodico. L'avvertimento pratico è questo: un elemento di fissaggio in alluminio o un sottile foglio di alluminio all'interno di una grande struttura inossidabile è il caso peggiore, mentre un piccolo bullone inossidabile in una grande piastra di alluminio è quello più blando.

La passivazione aiuta l'acciaio inossidabile e non fa nulla per l'alluminio

L'acciaio inossidabile si protegge con una pellicola di ossido di cromo che si riforma dopo un graffio, motivo per cui gli elementi di fissaggio nell'esempio di apertura sembravano ancora nuovi. L'alluminio forma anche uno strato di ossido e l'anodizzazione lo addensa fino a trasformarlo in una barriera deliberata. Quella barriera è fragile, però. I bulloni eccessivamente serrati, i bordi tagliati e l'impegno del filo lo rompono e il metallo esposto in quei punti diventa l'anodo per il resto della superficie rivestita.

Dove la reazione effettivamente morde nella pratica

Un gruppo interno asciutto e verniciato con superfici di contatto rivestite durerà spesso l'intera vita utile dell'apparecchiatura senza perdite misurabili di alluminio. Gli ambienti sottostanti sono quelli in cui i danni galvanici si trasformano in costi di manutenzione.

• Strutture costiere e offshore, dove lo spruzzo di cloruro mantiene il giunto umido e conduttivo per gran parte dell'anno.
• Asset stradali e ferroviari esposti ai sali disgelanti, che rimangono aggressivi anche in condizioni di bassa umidità.
• Aree di lavaggio negli stabilimenti alimentari e di bevande, dove il detergente caldo raggiunge quotidianamente il giunto.
• Sale piscine e impianti chimici, dove cloruri o acidi presenti nell'aria si condensano sul metallo freddo.
• Giunti permanentemente bagnati o interrati, dove nessun ciclo di asciugatura interrompe la corrente.

La firma del cedimento è coerente: gel di ossido di alluminio bianco o grigio all'interfaccia, filettature grippate e carico di serraggio in caduta poiché l'alluminio viene consumato sotto la testa e la faccia del dado. Gli elementi di fissaggio che sembrano allentati ma si rifiutano di girare sono un classico segno di attacco galvanico.

Come fermare la reazione: prima l'isolamento, poi la scelta dei materiali

L'isolamento è la soluzione più affidabile perché rimuove il contatto elettrico, una delle tre condizioni necessarie per la reazione. I metodi seguenti sono classificati dal più efficace al meno efficace nel servizio umido.

1. Rondella isolante sulla spalla più manicotto passante. Il manicotto mantiene il gambo lontano dal foro in alluminio, la rondella mantiene la testa e il dado lontani dalla piastra e il giunto sostiene ancora l'intero carico di serraggio. Aspettatevi di regolare i valori di coppia, perché il nylon si insinua sotto carico sostenuto.
2. Rondelle di tenuta incollate o elementi di fissaggio rivestiti in polimero, che raggiungono un isolamento simile con meno parti sciolte.
3. Paste barriera o sigillanti applicati alle filettature e sotto le teste. Bloccano l'elettrolita anziché il contatto, quindi funzionano bene insieme all'hardware isolante e male da soli.
4. Anodizzazione o verniciatura dell'alluminio, con fori praticati e bordi tagliati ritoccati successivamente. Ciò aumenta la resistenza della superficie dell'anodo ma non rimuove il contatto.
5. Progettazione per l'anodo. Se l'isolamento non è pratico, utilizzare elementi di fissaggio in alluminio, montare inserti filettati in acciaio inossidabile o specificare un'area di alluminio molto più ampia in modo che la densità di corrente all'anodo rimanga bassa.
6. Evitare un terzo metallo. Una rondella zincata tra un bullone inossidabile e una piastra di alluminio aggiunge un'altra differenza potenziale allo stack e rende il risultato più difficile da prevedere.

Due regole sovrastano tutte queste. Mantenere il giunto asciutto, con percorsi di drenaggio e senza trappole d'acqua attorno al dispositivo di fissaggio. E non dare mai per scontato che un bullone non trattato sia innocuo mentre il resto del giunto è isolato, perché è sufficiente un unico percorso conduttivo affinché l’intera coppia funzioni. Per la distribuzione del carico anziché l'isolamento elettrico, rondelle piane vale comunque la pena montarli sotto le teste e i dadi, poiché distribuiscono il carico di serraggio e riducono la possibilità di rompere una superficie anodizzata dura.

Laddove le vibrazioni allentano un gruppo di alluminio, dadi autobloccanti aiuta a mantenere il precarico senza aggiungere un metallo aggressivo allo stack.

Scelta della ferramenta inossidabile per le strutture in alluminio

La selezione del grado dovrebbe seguire l'ambiente. SS304 gestisce comodamente giunti in alluminio interni, interni e per servizio a secco. L'SS316 è la scelta migliore vicino all'acqua salata, negli impianti chimici e ovunque siano presenti cloruri, perché il suo contenuto di molibdeno ritarda la vaiolatura. La differenza di prezzo è piccola se paragonata al costo di sostituzione di un gruppo corroso. Se stai pesando i voti per una struttura specifica, questo confronto di Bulloni esagonali in acciaio inossidabile 304 e 316 spiega dove il contenuto extra di lega si ripaga da solo.

I telai e le staffe in alluminio imbullonati utilizzano comunemente bulloni a testa esagonale SS304 DIN933 da M6 a M24 con dadi corrispondenti, poiché questi standard accoppiati sono facili da reperire e riordinare in dimensioni miste.

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Per i siti con un contenuto di cloruro più elevato, lo stesso giunto specificato nell'hardware SS316, o nell'SS304 con isolamento completo, offre una resistenza alla vaiolatura notevolmente migliore per una lunga durata di servizio.

Errori di installazione che riducono la vita dei giunti

La maggior parte dei guasti prematuri nei giunti tra acciaio e alluminio derivano dall'installazione piuttosto che dalla scelta del materiale.

• Coppia eccessiva. Un precarico eccessivo rompe lo strato anodizzato o il rivestimento sotto la testa ed espone l'alluminio nudo nel punto di maggiore sollecitazione.
• Avvitamento di viti autofilettanti inossidabili nell'alluminio spesso senza foro pilota. La filettatura strappa la pellicola di ossido, genera calore e può danneggiare la vite in posizione.
• Lasciare trucioli di acciaio inossidabile o residui di spazzole metalliche sulla superficie dell'alluminio. Le particelle incorporate diventano piccoli catodi che bucano il metallo circostante.
• Saltare l'isolamento su uno o due elementi di fissaggio perché sembrano riparati. Un unico percorso conduttore fa ripartire la coppia.
• Accoppiamento di bulloni in acciaio inossidabile con dadi e rondelle zincati su una piastra di alluminio, creando un'imprevedibile pila di tre metalli.

Un breve controllo pre-assemblaggio copre la maggior parte di questi: confermare la dimensione del foro pilota, verificare che ogni elemento di fissaggio in un luogo umido abbia un manicotto e una rondella isolanti e impostare la coppia rispetto alla bulloneria isolante anziché alle specifiche del metallo nudo.

Acciaio inox e alluminio non sono un abbinamento impossibile. Nei gruppi asciutti, interni e ben rivestiti, la reazione galvanica è sufficientemente lenta da poter essere ignorata. In ambienti umidi, salati o chimicamente aggressivi è sufficientemente veloce da distruggere il lato in alluminio di un giunto nel giro di un paio di stagioni, anche se gli elementi di fissaggio in acciaio inossidabile sembrano ancora nuovi.

La regola di funzionamento è semplice. Se il giunto si bagna e l'alluminio è l'elemento strutturale, isolarlo con un manicotto e una rondella isolante, sigillarlo contro l'acqua stagnante e specificare un grado come SS316 dove sono presenti cloruri. Se l'assemblaggio rimane asciutto, lo stesso hardware inossidabile di solito durerà più a lungo della macchina che tiene insieme.