praca KiTM.odt

Łukasz Gapiński

Konstrukcje i technologie mechaniczne

Korozja i jej rodzaje

Korozją nazywamy proces niszczenia metali oraz ich stopów, na skutek chemicznego lub elektrochemicznego działania otaczającego ośrodka. Niszczenie metalu zaczyna się od powierzchni metalu, które w dalszym etapie posuwa się w głąb. Niszczeniu towarzyszy na ogół zmiana wyglądu powierzchni, np. powstawanie rdzy na żelazie będącej produktami jego utleniania (na ogół tlenki, wodorotlenki). Istnieją jednakże takie rodzaje korozji, których nie można rozpoznać gołym okiem, np. cienkiej warstewki tlenku glinu na glinie metalicznym. Korozję należy odróżnić od erozji, czyli powierzchniowego zużycia metalu, powstającego np. na skutek tarcia się części maszyn, szlifowania metali itp.

Odporność materiału na korozję wyraża się jakościowo oraz ilościowo najczęściej przez pomiar ilości zniszczonego materiału w określonym czasie trwania korozji. Pojęcia korozji i odporności na korozję nie mają znaczenia absolutnego.

Metal odporny na korozję w jednych warunkach może nie być odporny w innych. Tak np. miedź jest całkowicie odporna na korozję w zwykłej wodzie, natomiast zupełnie traci odporność w roztworach amoniaku. Stal nierdzewna odporna jest na działanie kwasu azotowego, natomiast łatwo rozpuszcza się w gorącym roztworze kwasu solnego. Również platyna należąca do najbardziej odpornych metali na korozję rozpuszcza się w wodzie królewskiej, czyli mieszaninie kwasu solnego i azotowego. Jeśli metal ulega korozji w danym ośrodku, wtedy określa się go jako aktywny. Jeśli natomiast wykazuje odporność, wtedy jest pasywny, czyli niereagujący. Jeden i ten sam metal może być w jednych warunkach aktywny, w innych zaś pasywny. Pasywacją metalu nazywa się taki stan jego powierzchni, który przy danych warunkach składu i temperatury ośrodka praktycznie nie zmienia się przez długi okres czasu. Pomiędzy stanem całkowitej aktywności i pasywacji istnieje dużo stanów pośrednich, choć niekiedy przejście od stanu aktywnego do pasywnego przebiega nagle.

Korozja równomierna (ogólna) – Jest to korozja stosunkowo najmniej groźna, gdyż polega na równomiernym zaatakowaniu całej powierzchni. W wyniku tego grubość wyrobu metalowego zmniejsza się równomiernie, z jednoczesnym zmniejszeniem się ogólnej wytrzymałości korodowanego elementu. Szybkość ubytku grubości nie powinna jednak przekraczać pewnej praktycznie ustalonej granicy. Dla stali odpornych na korozję jako dopuszczalny przyjmuje się – dla większości zastosowań – średni roczny ubytek grubości nie przekraczający 0,1 mm (wyznacza się wg PN-78/H-04610). Jeżeli zatem w danym środowisku korozyjnie agresywnym ubytek grubości przedmiotu wykonanego ze stali odpornej na korozję jest mniejszy niż 0,1 mm/rok to przyjmuje się, że dla danego zastosowania stal ta wykazuje bardzo dobrą odporność. Zapobieganie skutkom korozji równomiernej (przez ograniczenie jej szybkości) polega na: wymianie stali na stal o lepszej odporności na korozję, zmianie środowiska korozyjnego (zmiana stężenia, temperatury, prędkości przepływu cieczy, dodanie inhibitora itd.), okresowym pasywowaniu powierzchni stali. zastosowaniu ochrony, np. katodowej.

Korozja międzykrystaliczna – Posuwa się w głąb metalu, po granicach ziaren, pozostawiając w miejscach zniszczonego metalu produkty korozji.

Często zdarza się, że ten rodzaj zniszczenia metalu nie pociąga za sobą zmiany wyglądu powierzchni. Metal wygląda na zupełnie nie zniszczony, na skutek jego wewnętrznego osłabienia pęka przy obciążeniach mechanicznych, uderzeniach, a nawet można go złamać w rękach. Korozja międzykrystaliczna jest, zatem najgroźniejszym typem korozji, do której szczególnie są skłonne stopy glinowe.

Korozja naprężeniowa – Do niebezpiecznej w skutkach korozji, atakującej także  stale odporne na korozję, należy korozja naprężeniowa, która pojawia się tylko wówczas, gdy  metal  jest podatna na ten typ korozji, jest poddany naprężeniom wewnętrznym (własnym) lub przykładanym z zewnątrz, lub jest narażony na działanie środowisk korozyjnie agresywnych wywołujących ten typ korozji, np. chlorków czy ługów, stal pracuje w środowiskach nagrzanych do temperatury >600C (poniżej tej temperatury skłonność nieuczulonych stali do pękania naprężeniowego jest zdecydowanie mniejsza).

Korozja wżerowa – Innym rodzajem korozji miejscowej jest korozja wżerowa, która charakteryzuje się punktowym ubytkiem masy metalu. Przebieg procesu korozji wżerowej związany jest z działaniem lokalnego ogniwa, które tworzy się pomiędzy dużą spasywowaną powierzchnią materiału stanowiącą katodę, a miejscową zdepasywowaną strefą stanowiącą anodę. Szybkość rozpuszczania się metalu na anodzie jest bardzo duża, w konsekwencji czego następuje w bardzo krótkim czasie przebicie (perforacja) ścianek urządzenia, bez większego ubytku masy poza zaatakowanym miejscem. Korozja wżerowa stali odpornych na korozję występuje najczęściej w środowiskach wodnych zawierających jony halogenkowe, tj. jony chloru, bromu, jodu, przy czym jej intensywność zależy głównie od stężenia tych jonów i temperatury. Pojawia się ona przeważnie na wszelkiego rodzaju niejednorodnościach wewnętrzych metalu (wtrącenia niemetaliczne, wydzielenia, odkształcenia) i zewnętrznych (krawędzie, zarysowania, wgniecenia, resztki zgorzeliny, osady itd.). Natomiast powierzchnie gładkie i jednorodne są zdecydowanie bardziej odporne na ten typ korozji. Narażone na nią są szczególnie metale, które normalnie się pasywują, na przykład stal nierdzewna i aluminium.

Korozja zmęczeniowa – jest wynikiem współdziałania korozji elektrochemicznej oraz zmiennych naprężeń spowodowanych powstaniem ostrych wżerów przechodzących w pęknięcia wypełnione produktami korozji. Uszkodzenia spowodowane korozją zmęczeniową są znacznie większe niż suma uszkodzeń wynikających z samego naprężenia zmiennego i korozji elektrochemicznej.

Korozja szczelinowa – Ten typ korozji pojawia się w szczelinach i zagłębieniach konstrukcyjnych, pod uszczelnieniami , główkami śrub i nitów, pod osadami i zgorzeliną oraz we wszelkiego rodzaju pęknięciach. Korozja szczelinowa powstaje w wyniku stopniowego zanikania warstewki pasywnej w szczelinach, w których na skutek utrudnionego napowietrzenia i zahamowanego dopływu tlenu, warstewka ta nie może się zregenerować. Zapobieganie korozji szczelinowej polega głównie na eliminowaniu szczelin, zwłaszcza konstrukcyjnych, już na etapie projektowania aparatów i urządzeń produkcyjnych.

Korozja stykowa (galwaniczna) – Korozja ta jest wywołana stykiem dwóch metali lub stopów o różnych potencjałach, w konsekwencji czego powstaje ogniwo galwaniczne. Skuteczność działania ogniwa zwiększa się ze wzrostem różnicy potencjałów stykających się ze sobą dwóch metali w środowisku korozyjnym, np. zawierającym jony chlorkowe. Połączenie stali z metalem o innym elektrochemicznym potencjale, przy udziale elektrolitu sprawia, że metal mniej szlachetny ulega intensywnemu rozpuszczaniu, zwłaszcza gdy: jego powierzchnia jest znacznie mniejsza w porównaniu z powierzchnią metalu bardziej szlachetnego, temperatura elektrolitu jest wysoka.

3. Ochrona metali przed korozją

W zależności od rodzaju korozji i charakteru chemicznego czynników korozyjnych istnieje wiele sposobów zapobiegania lub zmniejszania skutków korozji:

Podstawowym sposobem ochrony przed korozją chemiczną jestm dobór odpowiedniego materiału do warunków środowiska agresywnego.

Znacznie można obniżyć działanie korodujące niektórych czynników przez zastosowanie inhibitorów (opóźniaczy) korozji. Inhibitory tworzą zwykle na powierzchni metalu warstewki ochronne hamujące szybkość korozji. Dla korozji w środowisku alkalicznym jako inhibitory korozji stosowane są sole cyny, arsenu, niklu i magnezu, zaś w środowisku kwaśnym: krochmal, klej lub białko.

Zabezpieczenie przed korozją elektrochemiczną stanowi tak zwana ochrona katodowa. Ochrona katodowa polega na połączeniu chronionej konstrukcji z metalem mniej szlachetnym, tworzącym anodę (protektor) ogniwa, natomiast katodą jest obiekt chroniony. Połączenie takiej anody z konstrukcją chronioną wykonuje się przez bezpośredni styk ( tzw. powłoki anodowe) lub za pomocą przewodnika. Za pomocą protektorów chroni się przed korozją duże obiekty stalowe, takie jak kadłuby statków, rurociągi i podziemne zbiorniki. Protektorami są blachy lub sztaby wykonane z metali aktywnych jak: cynk, magnez lub glin, połączone przewodami z obiektem chronionym. W utworzonym w ten sposób ogniwie anodą jest protektor, który ulega korozji. Po zużyciu protektory wymienia się na nowe. Identyczny efekt daje zastąpienie cynku złomem stalowym połączonym z dodatnim biegunem prądu stałego, podczas gdy chroniona konstrukcja połączona jest z biegunem ujemnym.

Ochrona przed korozją za pomocą powłok ochronnych

Powszechnie stosowanymi powłokami ochronnymi są:

- powłoki nieorganiczne: metalowe i niemetalowe

- powłoki organiczne: farby, lakiery, tworzywa sztuczne, smoła i smary.

Powłoki metalowe wytwarzane na skalę przemysłową dzielimy na dwie grupy: powłoki anodowe i katodowe.

Powłoki anodowe są wykonane z metali o bardziej ujemnym potencjale elektrochemicznym (mniej szlachetnych) niż metal chroniony. Pokrywanie metali powłokami anodowymi zapewnia chronionemu metalowi ochronę katodową, gdyż powłoka z metalu mniej szlachetnego działa w charakterze anody jako protektor. Jako przykład powłok anodowych można wymienić cynk i kadm. Najważniejszym, praktycznym zastosowaniem powłok anodowych jest pokrywanie stali powłoką cynkową (blachy ocynkowane). W przypadku pokrywania powierzchni stalowych cynkiem w razie pojawienia się rysy lub szczeliny tworzy się ogniwo w którym katodą jest żelazo zaś anodą cynk. W tej sytuacji do roztworu przechodzą jony cynku a nie jony żelaza. Tak więc w przypadku pokrywania metali powłokami anodowymi, powłoka pokrywająca nie musi być idealnie szczelna.

Powłoki katodowe są wykonane z metali bardziej szlachetnych niż metal chroniony. Przykładem powłok katodowych są np. powłoki z miedzi, niklu, chromu, cyny lub srebra. Powłoka katodowa jest skuteczna tylko wówczas, kiedy cała powierzchnia stalowa jest nią szczelnie pokryta. Po utworzeniu szczeliny powstaje mikroogniwo w którym żelazo jest anodą i ono ulega rozpuszczeniu, co przyspiesza korozję, a metal szlachetny staje się katodą ogniwa. W rezultacie uszkodzenia powłoki katodowej szybkość korozji w miejscu uszkodzenia jest większa niż w przypadku braku powłoki katodowej.

Metaliczne powłoki ochronne mogą być nakładane przez: zanurzenie w ciekłym metalu, platerowanie (zwalcowanie na gorąco), natryskiwanie roztopionego metalu na powierzchnię chronioną i elektrolizę.

Niemetaliczne powłoki ochronne wywoływane są na powierzchni metali przez wytworzenie na niej związku chemicznego w wyniku zabiegów chemicznych jak:

- utlenianie (oksydowanie) mające na celu wytworzenie na chronionym metalu pasywnych warstewek tlenkowych

- fosforanowanie za pomocą kwasu fosforowego (tworzą się trudno rozpuszczalne fosforany metali)

- chromianowanie za pomocą mieszaniny kwasu chromowego i siarkowego w wyniku którego tworzą się powłoki chromianowe.

Do niemetalicznych powłok ochronnych zalicza się również emalie szkliste, które wyróżniają się dobrą odpornością na działanie alkaliów, kwasów a także na działanie rozpuszczalników organicznych i na działanie podwyższonych temperatur.

literatura: All-met.pl/faq

netra.ig.pwr.wroc.pl/instrukcje/korozja.html