Korozja - Corrosion

Korozja odsłoniętego metalu, w tym śruby i nakrętki

Korozja to naturalny proces, który przekształca rafinowany metal w bardziej stabilną chemicznie formę, taką jak tlenek , wodorotlenek , węglan lub siarczek . Jest to stopniowe niszczenie materiałów (najczęściej metalu ) poprzez reakcję chemiczną i/lub elektrochemiczną z otoczeniem. Inżynieria korozji to dziedzina poświęcona kontroli i zapobieganiu korozji.

W najczęstszym użyciu tego słowa oznacza to elektrochemiczne utlenianie metalu w reakcji z utleniaczem, takim jak tlen lub siarczany . Rdzewienie , powstawanie tlenków żelaza , jest dobrze znanym przykładem korozji elektrochemicznej. Ten rodzaj uszkodzenia zwykle powoduje powstawanie tlenku (ów) lub soli ( soli ) oryginalnego metalu i powoduje charakterystyczne pomarańczowe zabarwienie. Korozja może również wystąpić w materiałach innych niż metale, takich jak ceramika czy polimery , chociaż w tym kontekście bardziej powszechny jest termin „degradacja”. Korozja degraduje użyteczne właściwości materiałów i konstrukcji, w tym wytrzymałość, wygląd i przepuszczalność cieczy i gazów.

Wiele stopów konstrukcyjnych koroduje jedynie pod wpływem wilgoci z powietrza, ale na proces może mieć duży wpływ wystawienie na działanie niektórych substancji. Korozja może być skoncentrowana lokalnie, tworząc wgłębienie lub pęknięcie, lub może rozciągać się na dużym obszarze, mniej lub bardziej równomiernie korodując powierzchnię. Ponieważ korozja jest procesem kontrolowanym przez dyfuzję, występuje na odsłoniętych powierzchniach. W rezultacie metody zmniejszania aktywności odsłoniętej powierzchni, takie jak pasywacja i konwersja chromianu , mogą zwiększyć odporność materiału na korozję. Jednak niektóre mechanizmy korozji są mniej widoczne i mniej przewidywalne.

Chemia korozji jest złożona; można to uznać za zjawisko elektrochemiczne . Podczas korozji w określonym miejscu na powierzchni przedmiotu wykonanego z żelaza zachodzi utlenianie i miejsce to zachowuje się jak anoda . Te elektrony uwolnione w tym anodowego miejscu ruchu przez metalu i przejść do innego miejsca na metalu i zmniejszenie tlenu w tym miejscu, w obecności H + (który uważa się za dostępne H 2 CO 3 utworzony w wyniku rozpuszczania dwutlenku węgla z powietrze do wody w wilgotnym powietrzu atmosferycznym ( jon wodorowy w wodzie może być również dostępny w wyniku rozpuszczania innych tlenków kwaśnych z atmosfery). To miejsce zachowuje się jak katoda .

Korozja galwaniczna

Korozja galwaniczna płyty aluminiowej wystąpiła, gdy płyta została połączona z podporą konstrukcyjną ze stali miękkiej.

Korozja galwaniczna występuje, gdy dwa różne metale mają ze sobą kontakt fizyczny lub elektryczny i są zanurzone we wspólnym elektrolicie lub gdy ten sam metal jest wystawiony na działanie elektrolitu o różnych stężeniach. W parze galwanicznej bardziej aktywny metal (anoda) koroduje w przyspieszonym tempie, a bardziej szlachetny metal (katoda) koroduje wolniej. Po zanurzeniu osobno każdy metal koroduje we własnym tempie. Jaki rodzaj metalu(ów) użyć można łatwo określić, śledząc szereg galwaniczny . Na przykład cynk jest często używany jako anoda protektorowa w konstrukcjach stalowych. Korozja galwaniczna jest przedmiotem zainteresowania przemysłu morskiego, a także wszędzie tam, gdzie woda (zawierająca sole) styka się z rurami lub konstrukcjami metalowymi.

Czynniki takie jak względny rozmiar anody , rodzaj metalu i warunki pracy ( temperatura , wilgotność , zasolenie itp.) wpływają na korozję galwaniczną. Stosunek powierzchni anody i katody bezpośrednio wpływa na szybkość korozji materiałów. Korozji galwanicznej często zapobiega się przez zastosowanie anod protektorowych .

Seria galwaniczna

W dowolnym środowisku (jedno standardowe medium jest napowietrzane, woda morska o temperaturze pokojowej ) jeden metal będzie albo bardziej szlachetny, albo bardziej aktywny niż inne, w zależności od tego, jak silnie jego jony są związane z powierzchnią. Dwa metale w kontakcie elektrycznym mają te same elektrony, tak że „przeciąganie liny” na każdej powierzchni jest analogiczne do konkurencji o wolne elektrony między dwoma materiałami. Używając elektrolitu jako nośnika przepływu jonów w tym samym kierunku, metal szlachetny zabierze elektrony z aktywnego. Wynikowy przepływ masowy lub prąd elektryczny można zmierzyć w celu ustalenia hierarchii materiałów w medium będącym przedmiotem zainteresowania. Ta hierarchia nazywana jest szeregiem galwanicznym i jest przydatna w przewidywaniu i zrozumieniu korozji.

Usuwanie korozji

Często możliwe jest chemiczne usunięcie produktów korozji. Na przykład kwas fosforowy w postaci galaretki morskiej jest często nakładany na narzędzia lub powierzchnie żelazne w celu usunięcia rdzy. Usuwanie korozji nie powinno być mylone z elektropolerowaniem , które usuwa niektóre warstwy metalu pod spodem, aby uzyskać gładką powierzchnię. Na przykład kwas fosforowy może być również stosowany do elektropolerowania miedzi, ale robi to poprzez usuwanie miedzi, a nie produktów korozji miedzi.

Odporność na korozję

Niektóre metale są bardziej samoistnie odporne na korozję niż inne (przykłady patrz seria galwaniczna ). Istnieją różne sposoby ochrony metali przed korozją (utlenianiem), w tym malowanie, cynkowanie ogniowe , ochrona katodowa i ich kombinacje.

Chemia wewnętrzna

Samorodki złota nie korodują naturalnie, nawet w geologicznej skali czasu.

Materiały najbardziej odporne na korozję to te, dla których korozja jest termodynamicznie niekorzystna. Wszelkie produkty korozji złota lub platyny mają tendencję do samorzutnego rozkładu do czystego metalu, dlatego pierwiastki te można znaleźć na Ziemi w postaci metalicznej i od dawna są cenione. Bardziej powszechne metale „podstawowe” mogą być chronione tylko bardziej tymczasowymi środkami.

Niektóre metale mają naturalnie powolną kinetykę reakcji , mimo że ich korozja jest termodynamicznie korzystna. Należą do nich takie metale jak cynk , magnez i kadm . Chociaż korozja tych metali jest ciągła i trwa, dzieje się to w akceptowalnie wolnym tempie. Skrajnym przykładem jest grafit , który podczas utleniania uwalnia duże ilości energii , ale ma tak wolną kinetykę, że w normalnych warunkach jest skutecznie odporny na korozję elektrochemiczną.

Pasywacja

Pasywacja odnosi się do spontanicznego tworzenia się ultracienkiej warstwy produktów korozji, znanej jako warstwa pasywna, na powierzchni metalu, która stanowi barierę dla dalszego utleniania. Skład chemiczny i mikrostruktura warstwy pasywnej różnią się od metalu znajdującego się pod spodem. Typowa grubość warstwy pasywnej na aluminium, stalach nierdzewnych i stopach mieści się w granicach 10 nanometrów. Folia pasywna różni się od warstw tlenków, które powstają podczas ogrzewania i mieszczą się w zakresie grubości mikrometrów – warstwa pasywna regeneruje się po usunięciu lub uszkodzeniu, podczas gdy warstwa tlenkowa nie. Pasywację w środowiskach naturalnych, takich jak powietrze, woda i gleba przy umiarkowanym pH obserwuje się w takich materiałach jak aluminium , stal nierdzewna , tytan i krzem .

Pasywacja determinowana jest przede wszystkim czynnikami metalurgicznymi i środowiskowymi. Wpływ pH podsumowano za pomocą wykresów Pourbaixa , ale wpływ ma wiele innych czynników. Niektóre warunki, które hamują pasywację, obejmują wysokie pH aluminium i cynku, niskie pH lub obecność jonów chlorkowych w przypadku stali nierdzewnej, wysoką temperaturę w przypadku tytanu (w takim przypadku tlenek rozpuszcza się w metalu, a nie w elektrolicie) oraz jony fluorkowe w przypadku krzemu . Z drugiej strony, nietypowe warunki mogą powodować pasywację materiałów, które normalnie nie są zabezpieczone, tak jak w przypadku stalowych prętów zbrojeniowych w środowisku alkalicznym betonu . Kontakt z ciekłym metalem, takim jak rtęć lub gorący lut, często może ominąć mechanizmy pasywacji.

Korozja w materiałach pasywowanych

Pasywacja jest niezwykle przydatna w łagodzeniu uszkodzeń korozyjnych, jednak nawet wysokiej jakości stop ulegnie korozji, jeśli utrudniona zostanie jego zdolność do tworzenia warstwy pasywacyjnej. Właściwy dobór odpowiedniego gatunku materiału do konkretnego środowiska jest ważny dla długotrwałej pracy tej grupy materiałów. Jeżeli wystąpi awaria w pasywnej powłoki ze względu na czynniki chemiczne i mechaniczne, uzyskane główne rodzaje korozji mogą obejmować na korozję wżerową , korozję szczelinową oraz korozji naprężeniowej .

Korozja wżerowa

Schemat przedstawiający przekrój korozji wżerowej

Pewne warunki, takie jak niskie stężenia tlenu lub wysokie stężenia substancji, takich jak chlorki, które konkurują jako aniony , mogą zakłócać zdolność danego stopu do ponownego tworzenia warstwy pasywacyjnej. W najgorszym przypadku prawie cała powierzchnia pozostanie chroniona, ale niewielkie lokalne wahania degradują warstwę tlenku w kilku krytycznych punktach. Korozja w tych punktach zostanie znacznie wzmocniona i może powodować wżery korozyjne kilku typów, w zależności od warunków. Podczas gdy wżery korozyjne zarodkują tylko w dość ekstremalnych warunkach, mogą nadal rosnąć nawet po powrocie do normalnych warunków, ponieważ wnętrze wgłębienia jest naturalnie pozbawione tlenu i lokalnie pH spada do bardzo niskich wartości, a szybkość korozji wzrasta z powodu proces autokatalityczny. W ekstremalnych przypadkach ostre końcówki bardzo długich i wąskich wżerów korozyjnych mogą powodować koncentrację naprężeń do punktu, w którym w przeciwnym razie twarde stopy mogą się rozbić; cienka warstwa przebita przez niewidocznie mały otwór może ukryć przed wzrokiem dziurę wielkości kciuka. Problemy te są szczególnie niebezpieczne, ponieważ są trudne do wykrycia, zanim część lub konstrukcja ulegnie awarii . Korozja wżerowa pozostaje jedną z najczęstszych i najbardziej szkodliwych form korozji w stopach pasywowanych, ale można jej zapobiegać, kontrolując środowisko stopu.

Wżery powstają, gdy w metalu tworzy się mały otwór lub wgłębienie, zwykle w wyniku depasywacji niewielkiego obszaru. Obszar ten staje się anodowy, podczas gdy część pozostałego metalu staje się katodowa, powodując zlokalizowaną reakcję galwaniczną. Pogorszenie tego małego obszaru wnika w metal i może prowadzić do awarii. Ta forma korozji jest często trudna do wykrycia, ponieważ jest zwykle stosunkowo niewielka i może być pokryta i ukryta przez związki powstałe w wyniku korozji.

Zanik spoiny i atak linii noża

Normalna mikrostruktura powierzchni ze stali nierdzewnej typu 304
Uwrażliwiona mikrostruktura metaliczna, wykazująca szersze granice międzykrystaliczne

Stal nierdzewna może stwarzać szczególne wyzwania korozyjne, ponieważ jej zachowanie pasywne zależy od obecności głównego składnika stopowego ( chrom , co najmniej 11,5%). Ze względu na podwyższone temperatury spawania i obróbki cieplnej węgliki chromu mogą tworzyć się w granicach ziaren stopów nierdzewnych. Ta reakcja chemiczna pozbawia materiał chromu w strefie przy granicy ziaren, czyniąc te obszary znacznie mniej odpornymi na korozję. Tworzy to parę galwaniczną z dobrze chronionym stopem w pobliżu, co prowadzi do „rozpadu spoiny” (korozji granic ziaren w strefach wpływu ciepła) w środowiskach silnie korozyjnych. Proces ten może z czasem poważnie zmniejszyć wytrzymałość mechaniczną złączy spawanych.

Mówi się, że stal nierdzewna jest „uwrażliwiona”, jeśli w mikrostrukturze tworzą się węgliki chromu. Typowa mikrostruktura znormalizowanej stali nierdzewnej typu 304 nie wykazuje oznak uczulenia, podczas gdy stal silnie uczulona wykazuje obecność wydzieleń na granicach ziaren. Ciemne linie w uczulonej mikrostrukturze to sieci węglików chromu utworzone wzdłuż granic ziaren.

Specjalne stopy, albo o niskiej zawartości węgla, albo z dodanymi „ getterami ” węgla, takie jak tytan i niob (odpowiednio w typach 321 i 347), mogą temu zapobiec, ale te ostatnie wymagają specjalnej obróbki cieplnej po spawaniu, aby zapobiec podobnemu zjawisku „atak nożem”. Jak sama nazwa wskazuje, korozja ogranicza się do bardzo wąskiej strefy przylegającej do spoiny, często o szerokości zaledwie kilku mikrometrów, co czyni ją jeszcze mniej zauważalną.

Korozja szczelinowa

Korozja w szczelinie pomiędzy rurą a dnem sitowym (obie wykonane ze stali nierdzewnej typu 316 ) wymiennika ciepła w zakładzie odsalania wody morskiej

Korozja szczelinowa to zlokalizowana forma korozji występująca w przestrzeniach zamkniętych (szczelinach), do których dostęp cieczy roboczej z otoczenia jest ograniczony. Powstawanie komórki napowietrzania różnicowego prowadzi do korozji wewnątrz szczelin. Przykładami szczelin są szczeliny i obszary styku między częściami, pod uszczelkami lub uszczelkami, wewnętrzne pęknięcia i szwy, przestrzenie wypełnione osadami i pod stosami szlamu.

Na korozję szczelinową ma wpływ typ szczeliny (metal-metal, metal-niemetal), geometria szczeliny (rozmiar, wykończenie powierzchni) oraz czynniki metalurgiczne i środowiskowe. Podatność na korozję szczelinową można ocenić za pomocą standardowych procedur ASTM. Krytyczna temperatura korozji szczelinowej jest powszechnie stosowana do oceny odporności materiału na korozję szczelinową.

Rowkowanie wodorowe

W chemicznym przemyśle , rowków wodoru jest korozji rurociągów przez rowki utworzone przez wzajemne oddziaływanie środka składników korozyjnych, skorodowanych rur i wodoru gazu pęcherzyków . Na przykład, gdy kwas siarkowy ( H 2 S O 4 ) przepływa przez stalowych rur, żelazo w stali reaguje z kwasem z wytworzeniem pasywacji powłokowe siarczanu żelaza ( Fe S O 4 ) i wodoru ( H 2 ). Powłoka z siarczanu żelaza ochroni stal przed dalszą reakcją; jeśli jednak pęcherzyki wodoru zetkną się z tą powłoką, zostanie ona usunięta. W ten sposób powstanie rowek przez podróżującą bańkę, odsłaniającą więcej stali na działanie kwasu: błędne koło . Rowkowanie jest potęgowane przez tendencję kolejnych pęcherzyków do podążania tą samą ścieżką.

Korozja wysokotemperaturowa

Korozja wysokotemperaturowa to degradacja chemiczna materiału (zwykle metalu) w wyniku nagrzewania. Ta niegalwaniczna forma korozji może wystąpić, gdy metal jest poddawany gorącej atmosferze zawierającej tlen, siarkę lub inne związki zdolne do utleniania (lub wspomagania utleniania) danego materiału. Na przykład materiały stosowane w przemyśle lotniczym, energetyce, a nawet w silnikach samochodowych muszą być odporne na długotrwałe działanie wysokiej temperatury, w której mogą być wystawione na działanie atmosfery zawierającej potencjalnie wysoce korozyjne produkty spalania.

Produkty korozji wysokotemperaturowej można potencjalnie obrócić na korzyść inżyniera. Na przykład tworzenie się tlenków na stalach nierdzewnych może zapewnić warstwę ochronną zapobiegającą dalszemu atakowi atmosferycznemu, umożliwiając długotrwałe użytkowanie materiału zarówno w temperaturze pokojowej, jak i w wysokich temperaturach w niesprzyjających warunkach. Takie wysokotemperaturowe produkty korozji, w postaci zagęszczonych szkliw warstw tlenkowych , zapobiegają lub zmniejszają zużycie podczas kontaktu ślizgowego w wysokiej temperaturze powierzchni metalowych (lub metalowo-ceramicznych). Utlenianie termiczne jest również powszechnie stosowane jako droga do uzyskania kontrolowanych nanostruktur tlenkowych, w tym nanodrutów i cienkich warstw.

Korozja mikrobiologiczna

Korozja mikrobiologiczna lub powszechnie znana jako korozja pod wpływem mikrobiologii (MIC), to korozja spowodowana lub promowana przez mikroorganizmy , zwykle chemoautotrofy . Może mieć zastosowanie zarówno do materiałów metalowych, jak i niemetalicznych, w obecności lub nieobecności tlenu. Bakterie redukujące siarczany są aktywne przy braku tlenu (beztlenowe); wytwarzają siarkowodór , powodując pękanie naprężeniowe siarczków . W obecności tlenu (tlenowego) niektóre bakterie mogą bezpośrednio utleniać żelazo do tlenków i wodorotlenków żelaza, inne bakterie utleniają siarkę i wytwarzają kwas siarkowy, powodując biogenną korozję siarczkową . W osadach produktów korozji mogą tworzyć się komórki koncentracyjne , co prowadzi do miejscowej korozji.

Przyspieszona korozja niskowodna (ALWC) jest szczególnie agresywną formą MIC, która wpływa na stalowe pale w wodzie morskiej w pobliżu znaku odpływu. Charakteryzuje się pomarańczowym szlamem, który po potraktowaniu kwasem pachnie siarkowodorem. Szybkość korozji może być bardzo wysoka, a projektowe naddatki korozyjne mogą wkrótce zostać przekroczone, co prowadzi do przedwczesnego zniszczenia stalowego pala. Pale, które zostały pokryte i mają zainstalowaną ochronę katodową na czas budowy, nie są podatne na ALWC. W przypadku pali niezabezpieczonych można zainstalować anody protektorowe lokalnie w dotkniętych obszarach w celu zahamowania korozji lub można zainstalować całkowicie zmodernizowany system anod protektorowych. Dotknięte obszary można również leczyć za pomocą ochrony katodowej, stosując anody protektorowe lub przykładając prąd do obojętnej anody w celu wytworzenia osadu wapiennego, który pomoże chronić metal przed dalszym atakiem.

Odkurzanie metali

Pylenie metali jest katastrofalną formą korozji, która występuje, gdy wrażliwe materiały są wystawione na działanie środowisk o wysokiej aktywności węgla, takich jak gaz syntezowy i inne środowiska o wysokiej zawartości CO. Korozja objawia się rozpadem metalu na proszek metalowy. Podejrzanym mechanizmem jest po pierwsze osadzanie się warstwy grafitu na powierzchni metalu, zwykle z tlenku węgla (CO) w fazie gazowej. Ta warstwa grafit jest następnie, że w celu utworzenia metastabilnych M 3 gatunków C (gdzie M jest metalem), który może migrować w kierunku od powierzchni metalu. Jednakże, w niektórych systemach M nie trzy gatunki C wynosi co wskazuje, że bezpośrednie przenoszenie z atomów metalu w warstwę grafitu.

Ochrona przed korozją

Amerykańskie wojsko pakuje w folię termokurczliwą sprzęt, taki jak helikoptery, aby chronić je przed korozją, a tym samym zaoszczędzić miliony dolarów

Różne zabiegi są stosowane w celu spowolnienia korozyjnych uszkodzeń metalowych przedmiotów, które są narażone na działanie warunków atmosferycznych, słonej wody, kwasów lub innych nieprzyjaznych środowisk. Niektóre niezabezpieczone stopy metaliczne są niezwykle podatne na korozję, takie jak te stosowane w magnesach neodymowych , które mogą odpryskiwać lub kruszyć się w proszek nawet w suchych, stabilnych temperaturowo środowiskach wewnętrznych, o ile nie zostaną odpowiednio zabezpieczone, aby zniechęcić do korozji.

Obróbka powierzchni

W przypadku stosowania obróbki powierzchni w celu zapobiegania korozji, należy zachować szczególną ostrożność, aby zapewnić całkowite pokrycie, bez szczelin, pęknięć lub defektów. Małe defekty mogą działać jak „ pięta achillesowa ”, pozwalając korozji wnikać do wnętrza i powodując rozległe uszkodzenia, nawet gdy zewnętrzna warstwa ochronna pozostaje przez pewien czas nienaruszona.

Zastosowane powłoki

Powierzchnia ocynkowana

Galwanizacja , malowanie i nakładanie emalii to najczęstsze zabiegi antykorozyjne . Działają poprzez zapewnienie bariery z materiału odpornego na korozję pomiędzy szkodliwym środowiskiem a materiałem konstrukcyjnym. Oprócz kwestii kosmetycznych i produkcyjnych, mogą występować kompromisy między elastycznością mechaniczną a odpornością na ścieranie i wysoką temperaturę. Powłoki zwykle zawodzą tylko w małych przekrojach, ale jeśli poszycie jest bardziej szlachetne niż podłoże (na przykład chrom na stali), para galwaniczna spowoduje, że każdy odsłonięty obszar będzie korodował znacznie szybciej niż powierzchnia niepowlekana. Z tego powodu często rozsądnie jest powlekać metalem aktywnym, takim jak cynk lub kadm . Jeśli powłoka cynkowa nie jest wystarczająco gruba, powierzchnia szybko staje się nieestetyczna z widocznym rdzewieniem. Żywotność projektowana jest bezpośrednio związana z grubością powłoki metalowej.

Korodująca stalowa suwnica na zelektryfikowanej linii kolejowej

Malowanie wałkiem lub pędzlem jest bardziej pożądane w ciasnych przestrzeniach; natrysk byłby lepszy w przypadku większych obszarów powlekania, takich jak pokłady stalowe i zastosowania na nabrzeżu. Elastyczne powłoki poliuretanowe , takie jak na przykład Durabak-M26, mogą zapewnić uszczelnienie antykorozyjne z bardzo trwałą, antypoślizgową membraną. Malowane powłoki są stosunkowo łatwe w aplikacji i szybko schną, chociaż temperatura i wilgotność mogą powodować różne czasy schnięcia. Obecnie powłoki organiczne wykonane z polimerów na bazie ropy naftowej są zastępowane wieloma powłokami organicznymi na bazie odnawialnych źródeł. Wśród różnych nośników lub spoiw, w takich próbach najczęściej badanymi polimerami są poliuretany.

Powłoki reaktywne

Jeśli środowisko jest kontrolowane (zwłaszcza w systemach recyrkulacyjnych), często można do niego dodać inhibitory korozji . Te chemikalia tworzą elektrycznie izolującą lub chemicznie nieprzepuszczalną powłokę na odsłoniętych metalowych powierzchniach, aby tłumić reakcje elektrochemiczne. Takie metody sprawiają, że system jest mniej wrażliwy na zarysowania lub defekty powłoki, ponieważ dodatkowe inhibitory mogą być dostępne wszędzie tam, gdzie metal zostaje odsłonięty. Substancje chemiczne hamujące korozję obejmują niektóre sole w twardej wodzie (rzymskie systemy wodne słyną z osadów mineralnych ), chromiany , fosforany , polianilinę , inne polimery przewodzące oraz szeroką gamę specjalnie zaprojektowanych chemikaliów, które przypominają surfaktanty (np. długołańcuchowe organiczne cząsteczki z jonowymi grupami końcowymi).

Anodowanie

Ten zjazd do wspinaczki jest anodowany na żółto.

Stopy aluminium często poddawane są obróbce powierzchniowej. Warunki elektrochemiczne w kąpieli są starannie dobierane tak, aby w warstwie tlenkowej metalu pojawiły się jednolite pory o szerokości kilku nanometrów . Pory te pozwalają tlenku na wzrost znacznie grubszy niż pozwalałyby na to warunki pasywacji. Pod koniec obróbki pory zamykają się, tworząc twardszą niż zwykle warstwę powierzchniową. Jeśli ta powłoka ulegnie zarysowaniu, normalne procesy pasywacji przejmują ochronę uszkodzonego obszaru.

Anodowanie jest bardzo odporne na warunki atmosferyczne i korozję, dlatego jest powszechnie stosowane do elewacji budynków i innych obszarów, w których powierzchnia będzie miała regularny kontakt z elementami. Jest wytrzymały, ale wymaga częstego czyszczenia. Jeśli pozostawisz je bez czyszczenia, w naturalny sposób pojawią się plamy na krawędziach panelu . Anodowanie to proces przekształcania anody w katodę poprzez doprowadzenie do kontaktu z nią bardziej aktywnej anody.

Powłoki z biofilmu

Opracowano nową formę ochrony poprzez nanoszenie pewnych gatunków błon bakteryjnych na powierzchnię metali w środowiskach silnie korozyjnych. Proces ten znacznie zwiększa odporność na korozję. Alternatywnie, biofilmy wytwarzające środki przeciwdrobnoustrojowe można stosować do hamowania korozji stali miękkiej powodowanej przez bakterie redukujące siarczany .

Kontrolowana przepuszczalność szalunków

Szalunki o kontrolowanej przepuszczalności (CPF) to metoda zapobiegania korozji zbrojenia poprzez naturalne zwiększenie trwałości otuliny podczas betonowania. CPF był stosowany w środowiskach do zwalczania skutków karbonatyzacji , chlorków, mrozu i ścierania.

Ochrona katodowa

Ochrona katodowa (CP) to technika kontrolowania korozji powierzchni metalu poprzez uczynienie z niej katody ogniwa elektrochemicznego . Do ochrony stalowych rurociągów i zbiorników najczęściej stosuje się systemy ochrony katodowej ; stalowe pale pirsów , statki i morskie platformy wiertnicze .

Ochrona anody protektorowej

Anoda ofiarna przymocowana do kadłuba statku

W przypadku efektywnego CP potencjał powierzchni stali jest spolaryzowany (wypychany) bardziej ujemnie, aż powierzchnia metalu ma jednolity potencjał. Przy jednolitym potencjale siła napędowa reakcji korozyjnej zostaje zatrzymana. W przypadku galwanicznych systemów CP materiał anody koroduje pod wpływem stali i ostatecznie musi zostać wymieniony. Polaryzacja jest spowodowane przez przepływ prądu z anody do katody, napędzanym przez różnicę potencjału elektrody pomiędzy anodą i katodą. Najpopularniejszymi protektorowymi materiałami anodowymi są aluminium, cynk, magnez i pokrewne stopy. Aluminium ma największą pojemność, a magnez ma najwyższe napięcie napędowe i dlatego jest stosowany tam, gdzie opór jest wyższy. Cynk jest ogólnym przeznaczeniem i podstawą cynkowania.

Pod wrażeniem aktualnej ochrony katodowej

W przypadku większych konstrukcji anody galwaniczne nie mogą ekonomicznie dostarczać prądu wystarczającego do zapewnienia pełnej ochrony. Imponujące systemy ochrony katodowej (ICCP) wykorzystują anody podłączone do źródła prądu stałego (takiego jak prostownik ochrony katodowej ). Anody do systemów ICCP to rurowe i pełne pręty w kształcie prętów z różnych specjalistycznych materiałów. Należą do nich pręty i druty z żeliwa o wysokiej zawartości krzemu , grafit, mieszany tlenki metali lub powlekane platyną tytanowe lub niobowe pręty.

Ochrona anodowa

Ochrona anodowa wywiera wpływ prądu anodowego na chronioną konstrukcję (w przeciwieństwie do ochrony katodowej). Jest odpowiedni dla metali, które wykazują pasywność (np. stal nierdzewna) i odpowiednio mały prąd pasywny w szerokim zakresie potencjałów. Jest stosowany w środowiskach agresywnych, takich jak roztwory kwasu siarkowego.

Szybkość korozji

Te magnesy neodymowe korodują niezwykle szybko już po 5 miesiącach ekspozycji na zewnątrz

Powstawanie warstwy tlenkowej opisuje model Deal-Grove , który służy do przewidywania i kontrolowania powstawania warstwy tlenkowej w różnych sytuacjach. Prostym testem do pomiaru korozji jest metoda odchudzania. Metoda polega na wystawieniu czystego odważonego kawałka metalu lub stopu na działanie środowiska korozyjnego przez określony czas, a następnie oczyszczeniu w celu usunięcia produktów korozji i zważeniu kawałka w celu określenia utraty wagi. Szybkość korozji (R) jest obliczana jako

gdzie k jest stałą, W jest ubytkiem masy metalu w czasie t , A jest polem powierzchni odsłoniętego metalu, a ρ jest gęstością metalu (w g/cm³).

Inne często występujące wyrażenia określające szybkość korozji to głębokość penetracji i zmiana właściwości mechanicznych.

Wpływ ekonomiczny

Zawalony Srebrny Most widziany od strony Ohio

W 2002 roku Federalna Administracja Drogowa Stanów Zjednoczonych opublikowała badanie zatytułowane „Koszty korozji i strategie zapobiegawcze w Stanach Zjednoczonych” dotyczące bezpośrednich kosztów związanych z korozją metali w przemyśle amerykańskim. W 1998 r. łączny roczny koszt bezpośredni korozji w USA wynosił około. 276 mld USD (ok. 3,2% produktu krajowego brutto USA ). W podziale na pięć branż, straty gospodarcze w infrastrukturze wynoszą 22,6 miliarda dolarów; 17,6 miliarda dolarów w produkcji i produkcji; 29,7 mld USD na transport; 20,1 miliarda dolarów w rządzie; i 47,9 miliardów dolarów w mediach.

Rdza jest jedną z najczęstszych przyczyn wypadków na mostach. Ponieważ rdza ma znacznie większą objętość niż pierwotna masa żelaza, jej nagromadzenie może również spowodować awarię poprzez rozerwanie sąsiednich części. Było to przyczyną zawalenia się mostu na rzece Mianus w 1983 roku, kiedy łożyska zardzewiały wewnętrznie i zepchnęły jeden róg płyty drogowej z podparcia. Trzech kierowców na jezdni w tym czasie zginęło, gdy płyta spadła do rzeki poniżej. Następujące dochodzenie NTSB wykazało, że drenaż w drodze został zablokowany w celu wymiany nawierzchni i nie został odblokowany; w rezultacie spływająca woda przedostała się do wieszaków podporowych. Rdza była również ważnym czynnikiem w katastrofie Silver Bridge w 1967 roku w Zachodniej Wirginii , kiedy stalowy most wiszący zawalił się w ciągu minuty, zabijając w tym czasie 46 kierowców i pasażerów na moście.

Podobnie korozja stali i żelaza pokrytych betonem może powodować odpryskiwanie betonu , stwarzając poważne problemy konstrukcyjne. Jest to jedna z najczęstszych przyczyn uszkodzeń mostów żelbetowych . Przyrządy pomiarowe oparte na potencjale półogniw mogą wykryć potencjalne miejsca korozji przed osiągnięciem całkowitego zniszczenia konstrukcji betonowej.

Jeszcze 20–30 lat temu rury ze stali ocynkowanej były szeroko stosowane w instalacjach wody pitnej dla mieszkańców jedno- i wielorodzinnych, a także w budownictwie komercyjnym i publicznym. Obecnie systemy te już dawno zużywały ochronny cynk i wewnętrznie korodują, co skutkuje słabą jakością wody i awariami rur. Ekonomiczny wpływ na właścicieli domów, mieszkańców kondominiów i infrastrukturę publiczną szacuje się na 22 miliardy dolarów, ponieważ branża ubezpieczeniowa przygotowuje się na falę roszczeń z powodu awarii rur.

Korozja w niemetalach

Większość materiałów ceramicznych jest prawie całkowicie odporna na korozję. Silne wiązania chemiczne, które utrzymują je razem, pozostawiają w strukturze bardzo mało wolnej energii chemicznej; można je uważać za skorodowane. Kiedy występuje korozja, prawie zawsze jest to zwykłe rozpuszczenie materiału lub reakcja chemiczna, a nie proces elektrochemiczny. Typowym przykładem ochrony przed korozją w ceramice jest wapno dodawane do szkła sodowo-wapniowego w celu zmniejszenia jego rozpuszczalności w wodzie; chociaż nie jest tak rozpuszczalne jak czysty krzemian sodu , normalne szkło tworzy submikroskopowe skazy pod wpływem wilgoci. Ze względu na kruchość takie wady powodują dramatyczne zmniejszenie wytrzymałości szklanego przedmiotu w ciągu pierwszych kilku godzin w temperaturze pokojowej.

Korozja polimerów

Degradacja polimerów obejmuje kilka złożonych i często słabo poznanych procesów fizykochemicznych. Różnią się one uderzająco od innych omawianych tutaj procesów, dlatego termin „korozja” stosuje się do nich jedynie w luźnym znaczeniu tego słowa. Ze względu na ich dużą masę cząsteczkową, bardzo małą entropię można uzyskać przez zmieszanie danej masy polimeru z inną substancją, co czyni je ogólnie dość trudnymi do rozpuszczenia. Chociaż rozpuszczanie stanowi problem w niektórych zastosowaniach polimerów, stosunkowo łatwo jest je zaprojektować.

Bardziej powszechnym i powiązanym problemem jest „pęcznienie”, w którym małe cząsteczki infiltrują strukturę, zmniejszając wytrzymałość i sztywność oraz powodując zmianę objętości. I odwrotnie, wiele polimerów (zwłaszcza elastyczny winyl ) jest celowo spęcznianych plastyfikatorami , które mogą być wypłukiwane ze struktury, powodując kruchość lub inne niepożądane zmiany.

Najczęstszą formą degradacji jest jednak zmniejszenie długości łańcucha polimeru. Mechanizmy rozrywające łańcuchy polimerowe są znane biologom ze względu na ich wpływ na DNA : promieniowanie jonizujące (najczęściej światło ultrafioletowe ), wolne rodniki i utleniacze, takie jak tlen, ozon i chlor . Pękanie ozonowe jest dobrze znanym problemem dotykającym na przykład kauczuk naturalny . Dodatki do tworzyw sztucznych mogą bardzo skutecznie spowolnić ten proces i mogą być tak proste, jak pigmenty pochłaniające promieniowanie UV (np. dwutlenek tytanu lub sadza ). Plastikowe torby na zakupy często nie zawierają tych dodatków, dzięki czemu łatwiej się rozpadają jako najdrobniejsze cząstki śmieci .

Korozja szkła

Korozja szkła

Szkło charakteryzuje się wysokim stopniem odporności na korozję. Ze względu na wysoką wodoodporność jest często używany jako podstawowy materiał opakowaniowy w przemyśle farmaceutycznym, ponieważ większość leków jest konserwowana w roztworze wodnym. Oprócz wodoodporności szkło jest również odporne na działanie niektórych chemicznie agresywnych cieczy lub gazów.

Choroba szkła to korozja szkieł krzemianowych w roztworach wodnych . Kierują nim dwa mechanizmy: dyfuzja - kontrolowane ługowanie (wymiana jonowa) oraz hydrolityczne rozpuszczanie sieci szklanej. Oba mechanizmy silnie zależą od pH kontaktującego się roztworu: szybkość wymiany jonów spada przy pH 10 −0,5pH, natomiast szybkość hydrolitycznego rozpuszczania wzrasta przy pH 100,5pH .

Matematycznie szybkości korozji szkieł charakteryzują znormalizowane szybkości korozji pierwiastków NR i (g/cm 2 ·d), które określa się jako stosunek całkowitej ilości uwolnionych związków do wody M i (g) do powierzchni stykającej się z wodą powierzchnia S (cm 2 ), czas kontaktu t (dni) i udział wagowy pierwiastka w szkle f i :

.

Ogólna szybkość korozji jest sumą wkładów z obu mechanizmów (wymywanie + rozpuszczanie) NR i =NR x i +NR h . Wymywanie kontrolowane dyfuzyjnie (wymiana jonowa) jest charakterystyczne dla początkowej fazy korozji i polega na zastąpieniu jonów alkalicznych w szkle jonem hydroniowym (H 3 O + ) z roztworu. Powoduje to jonoselektywne zubożenie warstw przypowierzchniowych szkieł i daje odwrotną zależność pierwiastka kwadratowego szybkości korozji z czasem ekspozycji. Znormalizowaną szybkość wymywania kationów ze szkła sterowaną dyfuzją (g/cm 2 ·d) wyraża wzór:

,

gdzie t jest czasem, D i jest efektywnym współczynnikiem dyfuzji i-tego kationu (cm 2 /d), który zależny jest od pH wody kontaktowej jako D i = D i 0 ·10 –pH , a ρ jest gęstością szkła (g / cm 3 ).

Rozpuszczanie sieci szklanej jest charakterystyczne dla późniejszych faz korozji i powoduje kongruentne uwalnianie jonów do roztworu wodnego w tempie niezależnym od czasu w roztworach rozcieńczonych (g/cm 2 ·d):

,

gdzie r h jest stacjonarną szybkością hydrolizy (rozpuszczania) szkła (cm/d). W układach zamkniętych zużycie protonów z fazy wodnej zwiększa pH i powoduje szybkie przejście do hydrolizy. Jednak dalsze nasycenie roztworu krzemionką hamuje hydrolizę i powoduje powrót szkła do wymiany jonowej, np. kontrolowanego dyfuzyjnie reżimu korozji.

W typowych warunkach naturalnych znormalizowane szybkości korozji szkieł krzemianowych jest bardzo niska i jest rzędu 10 -7 -10 -5 g / (cm 2 · d). Bardzo wysoka trwałość szkieł krzemianowych w wodzie sprawia, że ​​nadają się one do unieruchamiania odpadów niebezpiecznych i nuklearnych.

Testy korozji szkła

Wpływ dodatku określonego składnika szklanego na odporność chemiczną określonego szkła bazowego na korozję wodną (test korozyjny ISO 719).

Istnieje wiele znormalizowanych procedur pomiaru korozji (zwanej również trwałością chemiczną ) szkieł w środowiskach obojętnych, zasadowych i kwaśnych, w symulowanych warunkach środowiskowych, w symulowanym płynie ustrojowym, w wysokiej temperaturze i ciśnieniu oraz w innych warunkach.

Standardowa procedura ISO 719 opisuje test ekstrakcji rozpuszczalnych w wodzie związków zasadowych w warunkach obojętnych: 2 g szkła o wielkości cząstek 300–500 μm trzyma się przez 60 min w 50 ml dejonizowanej wody o stopniu 2 o temperaturze 98 °C; 25 ml otrzymanego roztworu miareczkuje się wobec 0,01 mol/l roztworu HCl . Objętość HCl wymagana do neutralizacji została sklasyfikowana zgodnie z poniższą tabelą.

Ilość 0,01M HCl potrzebna do zneutralizowania wyekstrahowanych tlenków zasadowych, ml Wyekstrahowany ekwiwalent Na 2 O
, μg

Klasa hydrolityczna
<0,1 < 31 1
0,1-0,2 31-62 2
0,2-0,85 62-264 3
0,85-2,0 264-620 4
2,0-3,5 620-1085 5
> 3,5 > 1085 > 5

Standaryzowany test ISO 719 nie nadaje się do szkieł z ubogimi lub nieusuwalnymi składnikami alkalicznymi, ale które są nadal atakowane przez wodę, np. szkło kwarcowe, szkło B 2 O 3 lub szkło P 2 O 5 .

Zwykłe okulary dzielą się na następujące klasy:

Klasa hydrolityczna 1 (Typ I):

Do tej klasy, zwanej również szkłem neutralnym, należą szkła borokrzemianowe (np. Duran , Pyrex , Fiolax).

Szkło z tej klasy zawierają istotne ilości tlenków boru , tlenek glinu i tlenki metali ziem . Dzięki swojemu składowi szkło neutralne charakteryzuje się wysoką odpornością na szoki temperaturowe oraz najwyższą odpornością hydrolityczną. Wykazuje wysoką odporność chemiczną na roztwory kwaśne i obojętne, ze względu na niską zawartość alkaliów na roztwory zasadowe.

Klasa hydrolityczna 2 (Typ II):

Ta klasa zawiera zwykle szkła z krzemianu sodu o wysokiej odporności hydrolitycznej dzięki wykańczaniu powierzchni. Szkło krzemianowe sodu to szkło krzemianowe, które zawiera tlenek alkaliczny i tlenek ziem alkalicznych, a przede wszystkim tlenek sodu i tlenek wapnia .

Klasa hydrolityczna 3 (Typ III):

Szkło III klasy hydrolitycznej zawiera zwykle szkła sodowo-krzemianowe i ma średnią odporność hydrolityczną dwukrotnie gorszą niż szkła typu I.

Klasę kwasową DIN 12116 i klasę alkaliczną DIN 52322 (ISO 695) należy odróżnić od klasy hydrolitycznej DIN 12111 (ISO 719).

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura

Zewnętrzne linki