Pojdi na vsebino

Korozija

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Korozija

Korozíjaje razdiralni napad nakovinoin najpogosteje temelji naelektrokemijskihreakcijah,ki potekajo zaraditermodinamskenestabilnostimaterialav nekemokolju.Je kompleksen proces, ki je odvisen od mnogih dejavnikov, predvsem odmetalurškihznačilnosti kovine oziromazlitine(kemičnasestava,mikrostruktura,vključki,faza snovi), lastnosti korozijskega medija (prevodnost,temperatura,pH) in prisotnosti različnih površinskih filmov, ki lahko ščitijo kovino.

Kovina, ki korodira, je pravzapravkratkostičnozvezangalvanski člen,ki obsega tri primarne elektrokemijske procese:anodnoreakcijo, transportelektronovpo kovini inionovpoelektrolitu,terkatodnoreakcijo. Kovine oziroma njihove zlitine so vedno nekoliko heterogene, že zaradi različne orientacijekristalnihzrn in nepravilnosti vkristalni mreži.V večini primerov vsebujejo posamezne vključke in različne faze, ki se med seboj razlikujejo glede na njihov elektrodni potencial. Zato v raztopini elektrolitov posamezna mesta delujejo kot anoda, preostale površine pa kot katoda. Korozijske poškodbe povzroča anodna reakcija (oksidacija), pri kateri se iz kovine v elektrolit odtapljajo pozitivno nabiti kovinski ioni v kovini pa ostajajo elektroni. Elektroni po kovini potujejo do mesta katodne reakcije (redukcija), kjer se vežejo skationi(npr. H+) ali nevtralnimimolekulamivraztopini(npr. O2). Procesa oksidacije in redukcije sta vedno uravnotežena: kolikor elektronov se sprosti pri anodni reakciji, toliko se jih porabi pri katodni reakciji. Korozijska reakcija se ustavi, ko preneha delovati katodna oziroma anodna reakcija.

Kemija korozije

[uredi|uredi kodo]

Z nekaj izjemami so čistekovinev zemeljskiatmosferitermodinamsko nestabilne, kar pomeni, da spontano reagirajo z okolico in prehajajo v stabilnejšespojine.Vnaravise večina kovin nahaja v oblikioksidovinsulfidov,ki jih je z veliko vloženeenergijemogoče pretvoriti nazaj do čistih kovin.

Mikrostrukturna sestave površine ogljikovegajeklatipa A285.

Čeprav je ena izmed lastnosti poliranih kovin tudi visoksijaj,kar daje občutekhomogenostimateriala, jemikroskopskaslika kovinske površine precej drugačna. Pri običajnihmetalurškihpostopkih pridobivanja kovin izrudenastanejo mikrokristalinične strukture, kar povzroči razlike v kemijskih lastnostihmaterialanamikroskopskiravni. Po celotnipovršinikovine tako ne poteka enotna reakcija, pač pa več različnih. Poleg razlik v stukturi na različne kemijske lastnosti materiala vplivajo tudi drugi dejavniki, kot na primer prisotnostoksidov,adsorbiranihmolekulter razlike v lokalnikoncentracijielektrolita.

Shema korozijskega procesa na meji med dvemakristalnimazrnoma kovine z različno kemijsko sestavo

Ko površina kovine pride v stik z elektrolitom, zaradi razlik v kemijskih lastnostih posameznih področij kovine nastanejo mikrogalvanski členi,ki začnejo korozijo. V sistemu so prisotnakatodnainanodnapodročja, med katerimi je vzpostavljen električni kontakt, po katerem se gibljejoelektroni,medtem ko elektrolit služi kot medij za prenosionov.Elektrolit po navadi predstavlja večjo množino snovi, ki obliva material, ali pa se pojavi kottanka kondenzirana plastna površini. V običajnem okolju največji delež elektrolitov zavzemajovodneraztopine.Te po navadi vsebujejo različnekoncentracijeorganskih in anorganskih ionov termolekul.Ko je elektrolit v stiku zzrakom,se raztopina nasiti tudi skisikominogljikovim dioksidom,ki pogosto sodelujeta pri procesu korozije.

Reakcije, ki potekajo pri korozijskih procesih, so večinoma elektrokemijske;med reaktanti pride do prenosa elektrona, kar privede do spremembeoksidacijskega številaatomov. Razdelimo jih v dve skupini:

  • Anodne reakcije, kjer običajno poteka oksidacija kovin:
  • Katodne reakcije, kjer poteka redukcija ionskih zvrsti. V kislih vodnih raztopinah poteka redukcija H+ionov:

Če je v raztopini elektrolita raztopljen tudi kisik, pogosto potekajo tudi naslednje reakcije:

Celotna reakcija, ki poteka med procesom korozije, je sestavljena iz anodne reakcije in mešanice katodnih reakcij, kar skupaj tvori galvanski člen.Na anodi poteka oksidacija, med katero pride do odtapljanja kovine in nastajanja kovinskih ionov, medtem pa na katodi lahko poteka več različnih reakcij naenkrat. Pri reakcijah nastajajo topni (M+) in netopni (oksidi, nekaterihidroksidi) terplinasti(H2) korozijski produkti. Tekom korozije se poleg materiala pogosto spremeni tudi sestava elektrolita, kar vpliva na položajravnotežjainhitrostiposameznih kemijskih reakcij.

Sistem postane kompleksnejši z dodajanjem novih komponent. Prisotnost drugih kovinskih ionov v raztopini omogoči dve novi katodni reakciji: znižanje oksidacijsega stanja kovinskega iona terelektrodepozicijokovine na material:

Na položaj ravnotežja vplivajo tudi različniligandi,ki s kovinami tvorijo tako topne kot tudi netopnekomplekse:

Pod določenimi pogoji v raztopinah pride do redukcije oksidirajočihkislin:

Slednja reakcija je celo zaželena, saj zaustavlja proces korozije.

Svojevrsten problem predstavljajo sistemi kontaminirani z mikroorganizmi.Ti s svojimi presnovnimi produkti v sistem lahko vnesejo nove korozivne zvrsti. Bakterije vrste desulphovibrio desulphurican[1][2]so na primer sposobne reducirati sulfate v zelo nevarne sulfide:

Ti nadalje reagirajo in tvorijo nove korozijske produkte:

Gornji pregled reakcij ni popoln, vendar pokaže kompleksnost korozijskih procesov. Realni korozijski sistemi so zelo dinamični, saj se količine reaktantov neprestano spreminjajo, od česar je odvisen tudi nabor in potek kemijskih reakcij v sistemu.

Termodinamika korozije

[uredi|uredi kodo]

V nasprotju z galvanskimi členi ingorivnimi celicami,kjer za normalno delovanje sistema potrebujemo dve elektrodi, anodo in katodo, je v korozijskih sistemih dovolj ena sama elektroda. Sistem se imenuje enoelektrodni sistem, elektroda pa simultano opravlja vlogo elektronskega izvira in ponora. Fenomen se pojavi zaradi lokalnih razlik v kemijski strukturi materaiala in deluje na podoben način kot običajni galvanski člen.

Termodinamsko zvezo v korozijskih sistemih je mogoče opisati zNernstovo enačbo[3]:

Standardne napetostiza posamezne elektrodne reakcije so razvrščene velektrokemijsko vrsto,iz katere je na primer mogoče razbrati, katere kovine so korozijsko odpornejše od drugih.

V praksi se pogosto izkaže, da so korozijski sistemi preveč zapleteni, da bi bilo mogoče z uporabo Nernstove enačbe natančno napovedati termodinamsko obnašanje sistema. V ta namen se je namesto elektrokemijske vrste razvila t. i.galvanska vrsta.Ta je nastala zeksperimentalnimopazovanjem kovin v določenem okolju z upoštevanjem vseh dejavnikov in prikazuje realtivno odpornost sistema na korozijo.

Galvanska vrsta za nekatere kovine v morski vodi.

Kljub vsemu je Nernstova enačba dovolj univerzalna za oceno termodinamske stabilnosti sistema. Ob upoštevamo, da je v korozijskem sistemu ena izmed možnih reakcij tudi redukcija protonov v vodik, je mogoče Nernstovo enačbo zapisati kot:

oziroma:

Diagram, ki prikazuje odvisnost reverzibilne napetosti elektrode odpHse imenujePaurbaixov diagram.Iz diagrama je mogoče izluščiti informacije o termodinamski stabilnosti posameznih faz in oceniti termodinamski potek korozije. Konstrukcija Paurbaixovih diagramov še vedno ne upošteva kinetičnih dejavnikov, ki nastopajo pri koroziji, zato je pri interpretaciji potrebna pazljivost. Iz Paurbaixovih diagramov je razvidno da večina kovin ni termodinamsko stabilnih. Pogosto je korozija precej počasen proces, kar pomeni, da so reakcije tudi kinetično kontrolirane.

Kinetika korozije

[uredi|uredi kodo]

Pri potopitvi kovine v elektrolit pride na fazni meji do ločevanja nabojev, pri čemer se vzpostavi električna dvoplast debeline nekajnanometrov.Prenos elektronov, ki poteka med kemijsko reakcijo ni več neoviran, saj se elektroni gibljejo v močnem električnem polju.Ko je hitrost kemijske reakcije pogojena izključno s prenosom elektronov med elektrodo in posamezno zvrstjo, kinetiko korozijskega sistema opisujeButler-Volmerjeva enačba:[4]

ki predstavlja odvisnost gostote korozijskega toka od prenapetosti v sistemu. Natančen potek kemijskih reakcij pri koroziji pogosto ni znan, vendar lahko v Butler-Volmerjevo enačbo uvedemo eksperimetalne koeficientein izmerimoTaflovo krivuljo:

Butler-Volmerjeva enačba opisuje zvezo med gostoto toka in potencialom elektrode z uporabo treh enostavno določljivih spremenljivk;in.

Določanje Taflovih krivulj je osnovnejša, vendar zelo učinkovita metoda za določanje kinetičnih parametrov izbranega korozijskega sistema. Rezultat meritve je krivulja, ki predstavlja odvisnost napetosti od logaritmatoka.Spremenljivke, ki nastopajo v Butler-Volmerjevi enačbi, je mogoče določiti iz linearnih delov katodnega, oziroma anodnega področja. Poleg tega je iz oblik krivulje mogoče oceniti tudi hitrost korozije ter način pasivacije. Taflova krivulja ni primerna za določanje tipa korozije v izbranem sistemu, zato je potrebno uporabiti kompleksnejše metode.

Tipi korozije

[uredi|uredi kodo]

Kemijska in konstrukcijska raznolikost uporabnih sistemov nam poleg termodinamske in kinetične pestrosti ponuja tudi izbor različnih tipov korozije. Precej malo verjetno je, da bi na vsehsistemihkorozija potekala na enak način. Posamezen tip korozije je najenostavneje določiti z opazovanjem, če pa dovolj dobro poznamo sestavo sistema, lahko način korozije do neke mere napovemo v naprej, saj se isti tip korozije po navadi ponavlja ob določenem vzorcu korozijskih dejavnikov.

Shematski prikaz enakomerne korozije
Enakomerna korozija

Enakomerna korozija

[uredi|uredi kodo]

Enakomerna korozija je najpogostejša oblika korozije. Sistem korodira po celotnipovršinioziroma po večjem delu površine, ki je izpostavljena korozivnemu mediju. Povzroča tanjšanje materiala, kar v končni fazi privede do zloma konstrukcije. Lahko jo spremljamo in napovemo z elektrokemijskimi meritvami materiala ter s pravilnimi ukrepi zmanjšamo morebitno škodo. Enakomerna korozija na materialu je po navadi vidna že s prostimočesom,najpogosteje nastopi zaradi neustrezne površinske zaščite. Površina je zaradi tega podvržena delovanju oksidantov in korozivnega medija.

Shematski prikaz jamičaste korozije

Jamičasta korozija

[uredi|uredi kodo]

Jamičasta korozija v nasprotju z enakomerno korozijo deluje lokalizirano. Napade zelo majhne površine, pri čemer nastajajo bolj ali manj globoke jamice. Poškodbe materiala so precej večje kot pri splošni koroziji, saj so jamice pogosto prekurzorji razpok in zlomov v materialu, vodijo tudi do napetostnokorozijskega pokanja in medkristalne korozije. Je težko opazna, saj se korozijsko najbolj prizadeta območja nahajajo pod površino materiala.

Jamičasta korozija se po navadi pojavi v medijih z zelo visoko koncentracijo elektrolita. Elektrolit se preferenčno veže na določeno področje površine (defekt, razpoka), kjer spodbudi proces korozije. Pri tem nastane jamica, v kateri se vzpostavi visoka koncentracija korozijskih produktov, ki ne morejo sprotidifundiratiiz jamice. Zaradi koncentracijske razlike med zunanjo in notranjo raztopino nastane koncentracijski člen, ki še dodatno pospeši proces korozije.

Shematski prikaz korozije v špranji

Korozija v špranji

[uredi|uredi kodo]

Mehanizem korozije v špranji je podoben mehanizmu jamičaste korozije. Tudi tu se vzpostavi koncentracijski člen, zaradi katerega poteka korozija. Korozija v špranji se pojavi pri stiku dveh površin (navoji,pritrdilne glave,podložke), med kateri se ujame del elektrolita. Notranjost špranje prevzame vlogo anode, iz katere se odtaplja kovina, na zunanji površini pa poteka redukcija korozivnih zvrsti, pogosto tudi kisika, če je ta prisoten v sistemu.

Shematski prikaz galvanske korozije

Galvanska korozija

[uredi|uredi kodo]

Galvanska korozija je sicer bolj ali manj gonilna sila vseh tipov korozije, vendar o njej po navadi govorimo, kadar se med dvema deloma konstrukcije z različnimi kemijskimi in mikrostrukturnimi lastnostmi vzpostavi elektroprevodnost[5].Pri tem del konstrukcije prevzame vlogo anode, ki korodira hitreje, del pa vlogo katode, ki korodira počasneje, kot posamezen del konstrukcije potopljen v korozivni medij. Korozijo povzroča potencialna razlika med materialoma.

Galvanska korozija ima neposredno zvezo z začetki elektrokemije; konec 18. stoletja jeLuigi Galvaniopravilnaključnipoizkus zžabjimikraki in tako odkril galvanski člen.

Mikroskopska slika prečnega preseka materiala z medkristalno korozijo.

Medkristalna korozija

[uredi|uredi kodo]

Medkristalna korozija se pojavi na mejah medkristalnimizrni v materialu. Pri kristalizaciji se na fazni meji koncentrirajonečistoče,ki so pogosto korozijsko manj odporne kot čist material, iz česar je narejena konstrukcija. Medkristalna korozija je pogosta prinerjavnih jeklih[6],v katerih je prisotenogljik.Pri termični obdelavi jekla nastajajokarbidi(na primer CrC2), pri čemer se porabljajo korozijsko odpornejši elementi, nastane pa korozijsko manj odporen material.

Transkristalna (napetostna) korozija

[uredi|uredi kodo]

Transkristalna (napetostna) korozija se pojavlja pri konstrukcijah, ki se nahajajo v korozivnem mediju in so pod stalno mehansko obremenitvijo. Predvsem vzdolž kristalnih zrn se pojavi krhki lom, ki posledično vodi do porušitve konstrukcije. Transkristalna korozija je ena izmed zahrbtnejših oblik korozije, saj so razpoke težko opazne, zato ga ni mogoče vnaprej napovedati.

Selektivno odtapljanje

[uredi|uredi kodo]

Prizlitinahje pogosta oblika korozije tudi selektivno odtapljanje. Med korozijskim procesom se enelementiz zlitine hitreje odtaplja kot ostali elementi, pri čemer nastajaporozna struktura.Pri tem se poslabša trdnost materiala, izgubijo se tudi zaželene lastnosti površine.

Selektivno odtapljanje materiala se pogosto pojavlja primedenini,[7][8]pri čemer se iz zlitine odtapljacink,ostane pa porozna strukturabakra.Mehanizem korozije ni popolnoma znan, saj si raziskovalci niso enotni, ali se odtaplja zgolj cink ali pa se že raztopljeni baker ponovno izloči na elektrodo, pri čemer pa se dodatno porablja cink.

Zaščita materialov pred korozijo

[uredi|uredi kodo]

Uspešen pristop k preprečevanju korozije se skriva v razumevanju najosnovnejših termodinamskih in kinetičnih principov. Zauspešenpotek korozije so pomembni sledeči pogoji:

  • anodnainkatodnapodročja, med katerimi je omogočen pretok elektronov;
  • raztopina, po kateri se gibljejo zvrsti, ki jih je mogočereducuratialioksidirati;
  • ustrezna površina, na kateri poteka prenos elektronov med materialom in zvrstmi v raztopini.

Na potek korozije lahko vplivamo, če spremenimo katerega izmed naštetih dejavnikov.

Vpliv materiala na potek korozije

[uredi|uredi kodo]

Ustrezna izbira materiala ima pomemben vpliv na potek korozije. Njegove kemijske lastnosti namreč določajo spekter kemijskih reakcij, ki potekajo ob stiku s korozivnim medijem. V splošnem želimo, da izbrani material čim manj reagira z okolico in na tak način preprečimo korozijski proces.

Kovine z višjim elektrokemijskim potencialom od vodikovega v kislih medijih ne korodirajo, saj redukcija H+ionov do vodika ne poteka. Kovini lahko elektrodni potencial spremenimo in na tak način zmanjšamo hitrost korozije. Najbolj običajno je, da potencial znižamo glede na korozijskega in s tem povečamo katodni tok. Katodno zaščito lahko izvedemo na dva načina, in sicer z metodo darujoče elektrode in z metodo vzbujenega toka.

Shematksi prikaz galvanske zaščite z darujočo elektrodo

Pri metodi darujoče elektrode zgradimo elektrokemijsko celico s pritrditvijo anod na izbrana mesta kovinske konstrukcije, ki jih želimo zaščititi. Pri tem darujoča elektroda prevzame vlogo anode in se tekom korozije raztaplja ter ohranja lastnosti konstrukcije.

Pri metodi vzbujenega toka namesto darujoče elektrode uporabimo zunanji vir napetosti, vendar je princip delovanja enak. Na materialu, ki ga želimo zaščititi vzbujamo majhen katodni tok, medtem ko inertna elektroda prevzame vlogo anode, na kateri se oksidirajo zvrsti v raztopini.

Poleg materiala ima pomembno vlogo oblika konstrukcije. Z uporabo gladkih (ali celo poliranih) materialov zmanjšamo površino, na kateri poteka korozija. V dinamičnih sistemih so zaželene oblike, ki omogočajo čim bolj nemoten pretok, saj trenje med tekočino in stenami konstrukcije dodatno pospešuje proces korozije.

Vpliv raztopine na potek korozije

[uredi|uredi kodo]
Izrabljena plast barve ne služi več osnovni nalogi

Raztopina,ki obdaja konstrukcijo, je poleg materiala tisti del sistema, v katerem lahko potekajo kemijske spremembe. Korozijski proces se ustavi, če se zaustavijo nezaželene kemijske reakcije v raztopini. To se najpogosteje doseže s spremembo sestave raztopine:

če imamo možnost, za izbrani sistem že na začetku izberemo ustreznejšo raztopino. Prisotnostfosfatovinkromatovv raztopini izboljša korozijsko odpornost nekaterih vrst jekel.

Vpliv fazne meje na potek korozije

[uredi|uredi kodo]

Kemijske reakcije pri koroziji v glavnem potekajo na fazni meji med materialom in raztopino. Glede na to, da je večina reakcij elektrokemijske narave, jih lahko zaustavimo, če onemogočimo prenos elektronov preko fazne meje ali če preprečimo dostop ionov oziroma molekul do površine. Na površini želimo ustvariti oviro, preko katere je onemogočen prehod tako elektronov kot tudi reaktivnih zvrsti.

Tanka plast aluminijevega oksida na površini preprečuje nadaljnji potek korozije.

Pri anodni zaščiti na površini tvorimo pasivno plast (po navadi je to oksidni film), s katero kovino zaščitimo pred korozijskimi procesi. Plast preprečuje difuzijo reaktivnih zvrsti do površine materiala, zato je električni tok v nekem intervalu neodvisen od napetosti. Pri določeni napetosti pride do preboja pasivne plasti, pri čemer se poruši korozijska zašcita. Na tak način je mogoče zaščititinikelj,aluminij, titan,molibden,kromin večino zlitin, ki vsebujejo naštete elemente.

Inhibitorji so organski ali anorganski dodatki, ki upočasnijo proces korozije. V korozijski sistem jih dodajamo v manjših količinah. Glede na področje delovanja jih delimo na anodne, katodne in splošne. Inhibitorji se preferenčno adsorbirajo na površino materiala in s tem preprečijo dostop reaktivnih zvrsti do površine.

Tanka plast titanoveganitridapoveča trdnostsvedrain ga zaščiti pred korozijo

Z nanosom prevlek na površino material izoliramo od okolja in ustavimo korozijo. Izbira možnih prevlek je velika in nam omogoča uporabo cenejših materialov z želenimi mehanskimi lastnostmi. Sem sodijo barvne, plastične in kovinske prevleke, različni premazi, emajli, beton. Zaradi velike obremenitve na okolje se pri korozijski zaščiti pojavljajo težnje po čim bolj neškodljivih in činkovitih rešitvah, ki pogosto mejijo na področjezelene kemije.

Glej tudi

[uredi|uredi kodo]

Opombe in sklici

[uredi|uredi kodo]
  1. Positive and negative aspects of sulphate-reducing bacteria in environment and industry
  2. »arhivska kopija«.Arhivirano izprvotnega spletiščadne 26. avgusta 2010.Pridobljeno 24. junija 2010.
  3. Za kratko izpeljavo Nernstove enačbe poglej pogovorno stran.Korozija, pogovorna stran
  4. Za kratko izpeljavo Butler-Volmerjeve poglej pogovorno stran.Korozija, pogovorna stran
  5. http://corrosion-doctors.org/Forms-galvanic/galvanic-corrosion.htm
  6. http://corrosion-doctors.org/Forms-intergranular/intergranular.htm
  7. http://corrosion-doctors.org/Forms-selective/dealloy.htm
  8. Corrosion of cold-deformed brass in acid sulphate solution
  • J. O' M. Bockriss, A. & Reddy, K.N. (1998).Modern Electrochemistry Vol. 1, Ionics,2. izdaja. New York: Plenum Press. (COBISS)
  • J. O' M. Bockriss, A. & Reddy, K.N. (2000).Modern Electrochemistry Vol. 2a, Fundamentals of electrodics,2. izdaja. New York: Plenum Press. (COBISS)
  • J. O' M. Bockriss, A. & Reddy, K.N. (2000).Modern Electrochemistry Vol. 2b, Electrodics in chemistry, engineering, biology, and environmental science,2. izdaja. New York: Plenum Press. (COBISS)
  • Kortum, G. (1948).Lehrbuch der Elektrochemie.Wiesbaden: Dietrich'Sche Verlagsbuchhandlung.
  • D. R. Crow (1994).Principles and applications of electrochemistry,4. izdaja, Stanley Thorens. (COBISS)
  • P. Marcus (2002).Corrosion mechanisms in theory and practice,2. izdaja, New York: Marcel Dekker. (COBISS)
  • T. Kosec, I. Milošev,Korozijski procesi, vrste korozije in njihove zaščite,Vakuumist (2004)[1]
  • Corrosion Doctors