铝为什么不像铁一样生锈？

学术 2024-12-29 08:00 上海

大家都知道，由铁为主要成份的金属制品，如果保护不当通常会生锈（不锈钢除外）。这是因为金属表面的铁原子和空气中的氧气结合，产生了氧化铁。氧化铁呈现出红棕色，也就是大家常见的铁锈，如下图所示。

而不锈钢之所以不生锈，那是因为其化学成份里包含了不少于10.5% 的铬。当不锈钢暴露在空气或水中时，铬元素会比铁抢先一步与氧反应，并形成一层非常致密的钝化层，从而保护不锈钢基体免受进一步的氧化和腐蚀。

其实铝和铁一样，铝及其合金在空气中也会发生其表面铝原子和氧气的反应，生成氧化铝，不过颜色呈现出灰白色或暗灰色，而不是铁锈颜色。不过这个氧化铝却起到了和不锈钢中的氧化铬一样的功能，会在金属表面形成一层防护层，阻止内部金属的进一步氧化，如下图所示。

实际中大家看到一些钢铁部件生锈特别厉害，有的甚至锈穿，如下图所示，而铝的很少见。不知道这里你是否有个疑问：为什么氧化铝和氧化铬等都可以形成防护层，而氧化铁就不行呢？

其实这里的关键就是形成的这个氧化层到底致密不致密。如果这个氧化层是非常致密的，外部的腐蚀性化合物（如氯化物、硫化物等）就很难再进入到内部腐蚀新的金属，因而也就不会发生进一步的腐蚀恶化。下图就是铝和铁两种氧化物的比较，氧化铁就比较松散、有孔洞，分层易剥落，而氧化铝就比较致密，和基体紧密贴合。

那问题又来了，为啥氧化铁就不致密、不贴合呢？这就要较为深入的化学物理知识来解释了。由于生锈原理的复杂性，不是一句两句能说清楚，不过我们可以简单地做个说明：

实际上，如果空气绝对干燥（不含水分），氧化铁（不论是Fe2O3或Fe3O4）也是一种稳定的化合物，不会导致表层的剥落和内部金属的进一步腐蚀。而真正造成铁锈脱落并不断腐蚀内部的原因是那些水合氧化铁Fe2O3·nH2O和氢氧化铁(FeO(OH) Fe(OH)3)等，它们才是我们日常看到铁锈的主要组成部分。水合物合氢氧化物和铁结合后一方面使得体积膨大，容易鼓起开裂，另一方面也使得其不能有效的黏附在铁基体上了，容易剥落，一旦玻璃露出下面的新金属，就会再次氧化生锈，然后循环重复，直至所有金属都生锈腐蚀掉。

氧化铝在正常的条件下，不会和水发生反应，不会像铁那样“生锈”，但是在一些恶劣条件下也会出现腐蚀。比如在强酸或强碱条件下，铝材表面的氧化层其分解速度会高于其生成速度，为了避免这种情况发生，不做任何表面处理的铝应在pH值在4.5至8.5之间的区域使用。

另外一个比较常见的铝腐蚀的原因就是电化学腐蚀。当两种不同的金属浸入水中时，就会形成一种弱电池或电路。这会导致电子在金属之间流动，耗尽两种金属中电化学活性较高的金属。铝的电化学电位比大多数其他金属都要高，如下图所示。因此如果铝和低碳钢或不锈钢之间形成回路，铝很快就会出现腐蚀。

图片来自《腐蚀与防腐蚀手册》

因此不是说铝不容易生锈腐蚀，就不需要做任何表面防腐处理，当铝存在腐蚀风险时，适当的处理还是必要的，比如阳极氧化、粉末喷涂、绝缘隔离等等。

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