Inleiding Corrosie Materiaalkunde

Inleiding Corrosie = degradatie van metalen door reactie met atmosfeer Natuurlijk fenomeen! Fundamentele oorzaak: metalen (meestal) niet in thermodynamisch evenwicht met omgeving  omzetting tot stabiele verbindingen oxides, hydroxides, sulfaten, ...

Inleiding Opmerkingen: Gevolgen van corrosie ‘Roest’ = corrosie van Fe-legeringen Niet noodzakelijk reactie met O2 Gevolgen van corrosie Kosten: 5% van BNP 20% van elektronische storingen Vermindering natuurlijke reserves Schade aan leefmilieu Ongevallen en ontploffingen

Inleiding Corrosie en –weerstand bepaald door: Metaal: samenstelling, structuur, heterogeniteiten, spanningen Omgeving: samenstelling, concentratie reactieve stoffen, P, T, snelheid van beweging Interface metaal/omgeving: kinetiek van oxidatie en oplossen, aard van corrosieprodukten, groei van oppervlakfilm

Inleiding Corrosiecontrole Vorm, omvang noch snelheid mogen schadelijk zijn voor metaal als constructiemateriaal Corrosiereactie mag geen gevolgen hebben voor omgeving

Basistheorie Corrosievormen onderverdeeld in 2 groepen: Elektrochemische corrosie uitgaande van metallurgische of omgevingscellen Corrosief-mechanische interacties synergie mechanische spanning en corrosief milieu

Basistheorie Corrosie in waterig milieu = elektrochemisch fenomeen  reactie met overdracht van elektronen! Illustratie: Zn in verdund HCl H2-ontwikkeling 2 H+ + 2 e  H2 Oplossen van Zn Zn  Zn2+ + 2 e Zn + 2 HCl  Zn2+ + H2 + 2 Cl-

Basistheorie 4 vereisten voor corrosiecel Elektrische geleider e Elektrolyt (ioniaire geleiding) ANODE oxidatie KATHODE reductie

Basistheorie 1. Anode metaal dat corrodeert neemt daarbij elektronen op metaalionen gaan in oplossing anodereactie = oxidatiereactie Algemeen: M  Mn+ + n e Fe  Fe2+ + 2 e Zn  Zn2+ + 2 e Al  Al3+ + 3e

Basistheorie 2. Kathode locatie waar component uit milieu wordt gereduceerd geeft daarbij elektronen af aan component in oplossing wordt niet aangetast! kathodereactie = reductiereactie Verschillende reacties mogelijk ngl. milieu reductie van opgelost O2 reductie van H+ (zure oplossingen) reductie van metaalion in oplossing O2 + 2 H2O + 4 e  4 OH- (neutraal + basisch) O2 + 4 H+ + 4 e  2 H2O (zuur) 2 H+ + 2 e  H2 Sn4+ + 2 e  Sn2+

Basistheorie 3. Elektronische geleider brengt elektronen van anode naar kathode meestal corroderende metaal zelf 4. Ionische geleider elektrolyt (bv. waterige oplossing) in contact met anode en kathode sluit de stroomkring door ionische geleiding

Totale corrosiereactie Totale reactie = anodereactie + kathodereactie (aantal elektronen balanceren!) Voorbeeld: corrosie van staal in (belucht) water anode Fe  Fe2+ + 2e kathode O2 + 2 H2O + 4 e  4 OH- 2 Fe + 2 H2O + O2  2 Fe2+ + 4 OH-  2 Fe(OH)2

Celpotentiaal Drijvende kracht voor reactie = potentiaalverschil kathode – anode (V) vrije enthalpie totale corrosiereactie (J / mol) Faraday = 96485 C / mol # uitgewisselde elektronen in reactie

Meten t.o.v. referentie-elektrode Potentialen Elektrochemische cel  potentiaalverschil kathode - anode Halfcelpotentiaal Meten t.o.v. referentie-elektrode Berekenen via Nernst

Referentie-elektrodes standaardwaterstofelektrode (SHE): 0 V praktische elektrodes Verzadigde kalomel (SCE) Ag / AgCl

Nernstvergelijking Elektrochemische reactie (Pourbaixnotatie): ua A + ub B + ... + z e - ua’ A’ - ub’ B’ - ... = 0 Bij 25 °C en met activiteitscoëfficiënten = 1

Theoretische potentiaalreeks Standaardpotentiaalreeks 25 °C (Mn+) = 1M EAg+/Ag = 0,800 V (Ag+) = 1 M = 0,800 V – 0,059 V (Ag+) = 10-1 M = 0,800 V – 2 x 0,059 V (Ag+) = 10-2 M

Galvanische corrosie Verbinden van 2  metalen gechromeerde spaak aluminium velg

Praktische potentiaalreeks Galvanische reeks in zeewater RVS schroef Stalen afdichting met Cd deklaag

Oppervlakte-effect bij galvanische corrosie

Galvanische corrosie: voorbeelden Macro-elementen Cu-platen verbonden met stalen klinknagels Micro-elementen of lokaalelementen Cu-deeltjes in Zn dakgoot verschillende fasen in metaal zelf! ijzeroxide op gewalste staalplaat

Galvanische corrosie: hoe vermijden? Geen  metalen gebruiken  metalen isoleren van elkaar Verflagen Zeker kathode! Best kathode + anode

Gebruik van galvanische corrosie Kathodische bescherming met opofferanode

Kathodische bescherming Zn beschermt bronzen schroef op RVS schacht

Opmerking Galvanische reeks zegt niets over corrosieweerstand van metaal apart! Al  Al2O3 Zn  ZnCO3 vormen beschermlagen

O2-concentratiecellen O2 + 2 H2O + 4 e  4 OH-

Corrosiecontrole van constructiestaal