Föreläsning om metallers korrosion Prof. Christofer Leygraf, Materialvetenskap, KTH

Transkript

1 Materiallära för Maskinteknik, 4H1063, 4p Föreläsning om metallers korrosion Prof. Christofer Leygraf, Materialvetenskap, Korrosion Corrodere (latin) = gnaga sönder Fritt efter Callisters bok: avsnitt 16.1, 16.2, 16.7 och 16.9 Metallens kretslopp Korrosion (nötning) Korrosionseffekter ständigt aktuella: - Fler material, inte bara metaller Metallutvinning Malm/mineral Korrosion: metallens strävan att återgå till sitt mest stabila tillstånd - Fler föroreningar - Begränsad tillgång på råvaror - Konstruktioner med stora krav på säkerhet - Konstruktioner med allt finare dimensioner Korrosionens kostnader Korrosionscell (Fig. 16.1) Direkta korrosionsskador Indirekta korrosionsskador Korrosionsskydd Vätska Ca 3-4% av BNP varje år Knappt kr/person i Sverige Ca kr/person skulle kunna sparas med bättre upplysning Metall (M) 1

2 Korrosionscell Elektrokemiska reaktioner Sker genom överföring av elektroner från ett ämne i reaktionen till ett annat. - Anodreaktion: M M e - - Katodreaktion: 2H + + 2e - H 2 Korrosionscell Anodreaktion: M M e - 2. Katodreaktion: 2H + + 2e - H 2 3. Elektronledare (metallen) 4. Jonledare (vattenlösningen) Elektrodpotential En metall (M) omges av en vattenlösning innehållande joner av metallen (M n+ ). Ett utbyte sker mellan metallen och lösningen M M n+ + ne - varvid metallen antar en elektrodpotential V o (V) (Fig. 16.2) Fe Fe 2+ Cu Cu 2+ Den elektrokemiska spänningsserien (Tabell 16.1) 2

3 0.32 V + V - Elektrokemisk cell med [Fe 2+ ]=1 järn och zink som halvceller (Fig. 16.3) Fe Zn [Zn 2+ ]=1 Poröst membran - V + Referenselektrod, 0 V [Zn 2+ ]=1 [H + ]=1 Zn 0.76 V Pt Bestämning av normalpotentialer (Fig. 16.4) Normalvätgaselektrod H 2 (P H = 1 atm) 2 Korrosion i en sur miljö (grapefrukt) Katod Cu + Reduktion 2H + + 2e H 2 (gas ) O 2 + 4H + + 4e 2H 2 O Anod - Zn H + H + Zn 2+ 2e - H + H + Syra H + H + H + Oxidation Poröst membran 3

4 Den galvaniska spänningsserien i havsvatten (Tabell 16.2) Metall/legering Elektrodpotential, V Guld Silver Rostfritt stål (18/8), passivt Koppar Tenn Rostfritt stål (18/8), aktivt Bly Stål Kadmium Aluminium Förzinkat stål Zink Magnesium Metallurgiska faktorer som kan påverka korrosionen kallbearbetning inneslutningar korngränser sekundära faser lokala påkänningar utskiljningar De vanligaste korrosionstyperna (16.7) Allmän korrosion Na + Na + Cl - Vätska Metall Cl - Na + Cl - Allmän korrosion Allmän korrosion 4

5 Bimetallkorrosion Bimetallkorrosion vid nitförband Anodreaktion: M M n+ + ne - Katodreaktion Stor anodarea (stål) Liten katodarea (mässing) Oädel metall (M) Ädel metall OBS: Area-förhållandet mellan anod och katod! OGYNNSAMT! Stor katodarea (mässing) Liten anodarea (stål) Metall/legering Elektrodpotential, V Gropfrätning Den galvaniska spänningsserien i havsvatten Guld Silver Rostfritt stål (18/8), passivt Koppar Tenn Rostfritt stål (18/8), aktivt Bly Stål Kadmium Aluminium Förzinkat stål Zink Magnesium Lättlöslig inneslutning Gropfrätning Gropfrätning O 2 O 2 O 2 O 2 Cl - Cl - OH - OH - OH - OH - H + M + M + M + e - e - Anodreaktionen koncentrerad till gropen Katodreaktionen på den fria metallytan. 5

6 Gropfrätning på aluminium Interkristallin korrosion (Fig ) Interkristallin korrosion Erosionskorrosion i vattenledningsrör av koppar. Spänningskorrosionssprickning Spänningskorrosion i mässing M 2+ 6

7 De vanligaste korrosionstyperna Korrosionsskydd (16.9) - Val av optimalt material - Val av rätt design - Ändring av miljön - Ändring av elektrodpotential -Beläggning med skyddande organisk eller oorganisk film Val av optimalt material Korrosionsskydd genom design - I reducerande eller icke-oxiderande miljöer, såsom syror och vattenlösningar: nickel-, eller kopparbaslegeringar Gas - I miljöer med oxiderande förmåga: krominnehållande legeringar - I miljöer med starkt oxiderande förmåga: titan eller titanbaslegeringar Dåligt Vätska Bra Vätska Dåligt Bra Korrosionsskydd genom miljöförändring Korrosionsskydd genom beläggning - Minska temperaturen (men tänk på syrehalten) - Minska strömningshastigheten - Reducera syrehalten (men undvik luftningsceller) - Reducera halten av korrosiva ämnen - Tillsätt korrosionsinhibitorer - Organisk film (ex.vis rostskyddsfärg innehållande etsgrundfärg, grundfärg med inhibitorer, mellanfärg och täckfärg) - Oorganisk film ädlare än substratet (ex.vis förnickling eller förtenning) eller oädlare än substratet (ex.vis förzinkning) 7

8 Summering: Egenskaper som påverkar korrosionen Materialegenskaper: Metallens ädelhet, metallurgiska faktorer, passiveringsförmåga. Miljöegenskaper: Miljöns kemi, driftsförhållanden, polarisering. Geometriska och mekaniska egenskaper: Design, spänningar, vibrationer. Summering: Enkla korrosionsregler Undersök materialet m.a.p.: Ädelhet, värmebehandling och ytbehandling. Undvik: Spalter, kontakt mellan metaller med olika ädelhet, stagnanta vätskor och kraftiga flöden. Undersök miljön m.a.p.: ph, temperatur, flödeshastighet, föroreningar och graden av luftning. Läsanvisningar Läs mer om Korrosionslära! - Korrosion och ytskydd, allmän kurs 4H1404 (period 1) Kapitel 16 Sidor: , , Typtal: 16.1, 16.20, 16.22, 16.24,