Transcript 1.4 Korrosionslära och korrosion

1.4 Korrosionslära och korrosion
Korrosion kommer av det latinska verbet corrodere, som betyder sönderfräta eller
söndergnaga. Numera används ordet korrosion som ett samlande begrepp för alla materials
förstöring. Ordet rosta kan som bekant endast användas på stål.
När ett material korroderar, strävar det helt enkelt att återta sitt naturliga tillstånd. Vi har ju
med hjälp av invecklade processer och energitillförsel tagit fram ett ämne ur dess mineral
och eftersom detta tillstånd inte är det naturliga, korroderar ämnet. Ju mer energi som åtgår
för att framställa ämnet desto större benägenhet har det att korrodera, när betingelserna
gynnar korrosion.
Det betyder att dyrbara tekniska enheter kan förstöras genom korrosion, om vi inte vidtager
förebyggande åtgärder.
Korrosion definieras som ett angrepp på ett material genom kemisk eller elektrokemisk
reaktion med omgivningen. När en järnbit utsätts för en elektrolyt (vatten) och syre startar
korrosionen. Den oxidfilm, som då bildas på stålytan är relativt porös och fuktabsorberande
med dålig vidhäftning, vilket medför att korrosionen kan fortsätta under filmen tills hela
materialet är genomkorroderat.
Emellertid finns det även oxidfilmer som skyddar en metallyta mot fortsatt korrosion.
Oxidfilmer på krom och aluminium är exempel på detta. I så kallat rostfritt stål utnyttjar man
kromets oxidbildande egenskaper för att ge denna egenskap åt stålet. Även på zink kan ett
basiskt zinkkarbonat ge ett skydd åt zinken.
När man vet att det fordras syre och en elektrolyt för att få igång en korrosionsprocess, är det
lätt att inse hur man skall förhindra korrosionen. Eliminera någon av dessa faktorer och ingen
korrosionen sker. Den effekten uppnås om man sänker luftfuktigheten till under 60 procent.
Korrosionen kan uppträda i många olika skepnader och i olika förlopp. Korrosionen kostar
enorma belopp varje år och ofta är det följdskadorna (sekundärskadorna), som kostar mest
för samhället. Exempelvis kan korrosion hos en oljecistern ge oljeskador på omgivningen,
vilket kostar betydligt mer att ta hand om än vad själva cisternen kostar. Korrosionen kan
också utsätta våra liv för fara t.ex. bilar med sönderfrätta bromsrör.
Man beräknar att korrosionen kostar minst 8 miljarder per miljon invånare.
Vi kan alltså med andra ord offra en hel del pengar på att förhindra korrosion.
Korrosionsmedvetandet är relativt bristfälligt i vårt land att döma av hur vi väljer vårt
korrosionsskydd. Det är viktigt att ha kunskapen om detta, då alltför många lättvindigt
handskas med ord som beständighet, rostfritt osv. Genom detta får man uppfattningen att
vissa material kan användas hur som helst utan någon risk för korrosion. Bl. a är rostfritt
material korrosionsbeständigt endast under vissa betingelser och därför är denna en
vilseledande benämning, rosttrögt torde möjligen vara ett bättre ord för ett sådant stål.
En sak är emellertid viktig att komma ihåg, att den detalj vi framställer, skall ha en normal
livslängd och med det menas, att den under sin funktionsperiod skall fungera klanderfritt eller
åsamka så låga underhållskostnader som möjligt.
Vi bör alltså inte acceptera undermånliga produkter! Vi kan heller inte acceptera
superprodukter bl.a. av kostnadsskäl.
---------(Överkurs - början)--------Innan vi går vidare i korrosionsläran, bör vi först titta på några teoretiska grundbegrepp.
Dessa behöver vi för att förstå korrosionsförloppet och senare även ytbehandlingsdelen.
Atom
Molekyl
Jon
Anod
Katod
Elektrolyt
Oxidation
Reduktion
= den minsta rena delen av ett grundämne. Den består av en kärna med positiv
elektrisk laddning (positron) kring vilken negativt laddade partiklar, elektroner,
kretsar.
= när minst två atomer slår sig samman bildas en molekyl. Molekylen är den
minsta delbara enheten i en kemisk förening.
= är en elektriskt laddad atom eller atomgrupp. En anjon är en negativt laddad
jon, som i en elektrolyt vandrar mot den positivt laddade elektroden, som kallas
anod. En katjon är en positivt laddad jon, som går mot den negativt laddade
elektronen, katoden.
= positivt laddad elektrod. Genom anoden går ström in i elektrolyten och
anoden förbrukas som regel. Den korroderar med andra ord och är den oädlare
elektroden.
= negativt laddad elektrod. Genom katoden lämnar strömmen elektrolyten och
är den ädlare elektroden.
= är en elektriskt ledande vätska. Genom denna sker transporten av
elektriskt laddade joner.
= avgivande av elektroner (Fe ==> Fe2+ + 2e-)
Oxidation frigör värme. Oxidation kan man framkalla genom att tillföra syre eller
avlägsna väte.
= upptagande av elektroner. (Cr3+ + 3 e- ==> Cr)
Reduktion sker vid borttagning av syre eller tillförsel av väte.
Normalpotential
= för att frigöra en jon från en anod behövs ett visst tryck eller potential. Denna
potential är karakteristisk för varje metall. Normalpotentialen för metallerna
brukar anges i tabellform och kallas då spänningsserien, eftersom det är fråga
om en spänningsskillnad angiven i volt.
Passivering = gör en yta passiv (angrips ej) mot korrosion. Ex. oxidskikt på aluminium.
Aktivering
= avlägsnar det passiva skiktet - kan göras kemiskt eller mekaniskt.
------(Överkurs - slut)-------
1.4.1. Hur påverkar miljön korrosionen?
Miljön påverkar naturligtvis korrosionsförloppet olika på grund av rätt stora skillnader mellan
de olika miljötyperna. (I sammanhanget bör påpekas att även konstruktionsutformningen har
mycket stor betydelse för korrosionsförloppet).
Följande miljötyper finns:
Fuktig miljö:
I jord, vatten och andra lösningar sker korrosionen elektrokemiskt.
Här är anod - katodförhållandet av stor betydelse. Anoden, som är
den oädlare elektroden, bör vara mycket större än katoden, om
korrosionen ej skall gå snabbt. Ex. skall man ej nita fast en
kopparplåt med stålnit, ty då riskerar man att plåten lossnar.
Atmosfärisk miljö:
Vår atmosfäriska miljö, dvs luften vi andas, är olika korrosiv
beroende på geografiskt läge och de föroreningar, som vi
människor tillför atmosfären. I världen har vi indelat vår
atmosfäriska miljö i fem olika klasser enligt ISO 9223 nämligen:
Tabell ovan. Korrosivitetsklasserna hänförs nu till avfrätning av järn och zink (gram per
kvadratmeter och år samt/eller mikrometer per år), vilket ger en enklare beskrivning av
klassen än då man endast försöker beskriva korrosionsmiljön. Observera att Stockholm idag
ligger i korrosivitetsklass C2 (korrosion = 0,4 –0,5 µm zink/år).
Tabellen ovan visar försök att beskriva miljöerna vilket kan vara svårt eftersom korrosionen
minskar i stort sett hela världen, men mest i Norden.
Ett försök till jämförelse mellan gamla miljöklasserna enligt BSK 94 (M0 – M4) och de nya
enligt ISO 9223.
Överkurs - början-------
1.4.2. Olika korrosionstyper.
Nedan återfinns de vanligaste korrosionstyperna och hur och när de inträffar. I
sammanhanget bör det påpekas att så renodlat som de beskrivs nedan förekommer de
sällan i praktiken.
Allmän korrosion
Punktangrepp
Selektiv korrosion
Spänningskorrosion
- Denna korrosionstyp karakteriseras av en likformig
avfrätning över det korroderade föremålets hela yta. Denna
korrosionsform är den minst besvärliga eftersom den kan
beräknas vid konstruktion.
- Det är här frågan om lokal ytavfrätning med betydande
djup. Ex.vis om svavelhaltig olja kommer i kontakt med
vatten kan svavelsyra eller svavelsyrlighet bildas, vilka
angriper stålet snabbt. Även lokala galvaniska element kan
utlösa punktangrepp (pittings).
- Denna korrosionstyp angriper metallegeringar inte
grundmetaller. Vid selektiv korrosion angrips endast en eller
eventuellt några av legeringens ämnen, medan andra endast
angrips obetydligt eller icke alls.
Ex. Avzinkning av mässing (koppar och zink)
Avtenning av bronser (koppar och tenn)
Avkromning av rostfria stål
- Ifall ett material befinner sig under ett spänningstillstånd dvs om
kvarvarande dragspänningar finns i materialet samtidigt som det
utsätts för ett "korroderande" medium, kan sprickor bildas i
materialet s k spänningskorrosion. Då dessa sprickor går tvärs
igenom kornen och korngränserna talar vi om transkristallin
spänningskorrosion medan vi får interkristallin spänningskorrosion
om sprickorna går längs korngränserna. Alla legeringar är inte
Korrosionsutmattning
Spaltkorrosion
Korngränsfrätning
Biologisk korrosion
Läckströmskorrosion
känsliga för spänningskorrosion men vissa rostfria stålsorter, som
utsätts för eller har kvar spänningar i materialet och kommer i
samtidig kontakt med klorider kan utsättas för denna
korrosionstyp. Även mässing kan råka ut för detta om materialet
har inbyggda spänningar och kommer i kontakt med ammoniak
eller dess föreningar.
Spänningskorrosion kan också uppträda i svetsfogar.
Genom att avspänningsglödga elimineras denna korrosionstyp.
- Denna korrosionstyp uppstår om materialet utsätts för
upprepade mekaniska belastningar under samtidig inverkan
av en elektrolyt.
- Ett lokalt angrepp i trånga spalter, där vätska lätt samlas
och stannar kvar. Genom att denna vätska ej utbyts utarmas
den på syre medan omgivningen blir rikare på detta. Den
syrefattigare delen (spalten) blir då anodisk och angrips.
- är ett angrepp i eller tätt intill korngränserna i ett material. Ex. vis
kan vid svetsning av rosttröga stål med högre kolhalt, krom bilda
kromkarbider, vilket leder till att svetszonen ej längre har rosttrög
sammansättning.
- Påväxtkorrosion eller bakteriekorrosion. Påväxtkorrosion kan
orsaka luftningselement och på så sätt framkalla korrosion.
- Läckströmmar från elnät av olika slag kan framkalla korrosion på
ledningar i mark. De ställen där läckströmmarna går in i materialet
är ädla dvs katodiska och de ställen där läckströmmarna
försvinner är anodiska och korroderar.
Exempel på spänningskedja i havsvatten vid 25 ºC
Bimetallkorrosion
- Om två olika metaller kommer i kontakt med varandra med hjälp
av en elektrolyt uppstår bimetallkorrosion eller galvanisk
korrosion. Med hjälp av spänningskedjan kan man se vilka
metaller som står långt ifrån varandra och således kan ge kraftig
korrosion på den metall som står under den andra i
Utöver ovan nämnda finns ett antal mer eller mindre ovanliga korrosionstyper, som vi ej tar
upp här.
1.4.3. Konstruktion mot korrosion.
Att konstruera mot korrosion innebär:
a) att analysera korrosionsbetingelserna
b) att välja för ändamålet rätt material
c) att utforma konstruktionen geometriskt rätt sett ur korrosionssynpunkt
d) att välja rätt korrosionsskyddsbeläggning sett ur förväntad livslängd.
I ett produktutvecklingsarbete måste korrosionsriskerna ingå i konstruktionsförutsättningarna.
En viktig faktor att ta hänsyn till är kostnadsaspekten dvs man måste bestämma
konstruktionens livslängdskostnad. Med livslängdskostnad förstås både tillverknings- och
underhållskostnader. Ofta är underhållskostnaderna de helt dominerande men detta glöms
ofta bort. Kan man konstruera bort ett dyrt underhåll har man vunnit mycket.
Sett ur ytbehandlingssynpunkt finns mycket att göra på konstruktionssidan. Balkar bör
vändas så att de ej kvarhåller vätska eller liksom rör förses med luftnings- och avrinningshål.
Eventuella fickor skall också förses med avrinningshål. Spalter i konstruktionen kan ge
spaltkorrosion och fula rinningar av betsyra på ytbehandlade ytor. Inskjutande
röranslutningar får ej skjutas långt in i tankar för då kan dessa ej tömmas helt vid
ytbehandling. Tunna och grova detaljer svetsade vid varandra kan slå sig i varma bad liksom
stora plåtytor. Skruvförband är ett alternativ i st. f svetsning och förstyvningar kan klara
plåten. (Se vidare under rubrik ”konstruera för varmförzinkning”)
------Överkurs - slut------
1.4.4. Korrosionsskydd
Genom att korrosionen kostar samhället så mycket pengar i förstörelse borde vi också kunna
sätta in resurser för att bekämpa korrosionen. Vi är där långt ifrån maktlösa utan har en
mängd möjligheter, när det gäller att klara korrosionen.
Bland de möjligheter som står till vårt förfogande finns följande:
Torkning – Avfuktning – vid atmosfärer under 60 % luftfuktighet sker ingen korrosion.
Genom att sänka luftfuktigheten i ett rum kan man således undvika korrosion. Avfuktning kan
också ske med torkmedel typ kiselgur och silikagel. Detta är vanligt vid transport av viktigare
maskindelar i förpackningar.
Legering - Genom legering med ämnen som ökar korrosionsmotståndet framställs nya
ämnen med förbättrade egenskaper. Men låt er inte förledas av alla välklingande namn, som
tyvärr kan vara vilseledande. Det är viktigt att veta den miljö som materialet skall verka i och
med ledning av detta välja rätt material.
Ofta indelas legerade stål efter användningsområdet – kemikaliebeständiga, syrafasta,
värmebeständiga osv.
Inhibitor - en inhibitor kan hämna eller förhindra en kemisk process. Ex. vis kan en inhibitor
(hexamin) i saltsyra förhindra att syran tär alltför hårt på det frilagda stålet. Kalk och fosfater
är också exempel på inhibitorer. Hårt vatten som innehåller kalk är mycket mindre korrosivt
än mjukt vatten. Det mjuka vattnet har plats för nya joner som det tar från omgivningen t ex
vattenledningsrör.
Katodiskt skydd - offeranoder av zink, magnesium eller aluminium. Används bl.a. för att på
ett styrt sätt ( i ett ledande medium) skydda konstruktioner (cisterner, båtar, kajer m.m.) mot
korrosion.
Vanligtvis sker detta också med hjälp av påtryckt ström. Den negativa polen kopplas till
konstruktionen. Kräver att det finns en elektrolyt närvarande.
Beläggning - beläggning kan utgöras av målning, kemiska skikt, keramiska skikt (emalj),
metallskikt och metallegeringsskikt. Organiska beläggningar utgörs av färg och plast och
oorganiska beläggningar främst av metaller och metallegeringar.
I fortsättningen behandlar kursen främst beläggning med zink med eller utan färg.