Corrosie

Uit Wikipedia, de vrije encyclopedie
Ga naar: navigatie, zoeken

Corrosie is de aantasting van materialen doordat hun omgeving op ze inwerkt, in het bijzonder de aantasting van metalen door elektrochemische reacties. Aantasting door puur mechanische invloeden, zoals schuren en breuk door een botsing of val worden niet als corrosie aangemerkt.

De bekendste soorten corrosie zijn de aantasting van metaaloppervlakken door zuurstof en water in de lucht, zoals het roesten van ijzer en het groen uitslaan van koper. Echter, ook in waterig milieu en bij hoge temperatuur kan corrosie optreden en het kan ook keramische materialen en kunststoffen betreffen.

Corrosie brengt veiligheidsrisico's (falen van dragende constructies) en grote kosten mee. Per seconde gaat er wereldwijd zo'n 5 ton staal door corrosie "verloren".[bron?] De kosten worden geschat op 2% van het Bruto Nationaal Product.[bron?]

Koper slaat groen uit bij corrosie
Goud oxideert niet, zelfs niet na lange tijd
Schema chemische reactie roest

Corrosiemechanismen[bewerken]

Diverse typen corrosie kunnen onderscheiden worden, waarbij verschillende chemische reacties een rol spelen.

De belangrijkste corrosiereactie is die waarbij zuurstof uit de atmosfeer in combinatie met water of vocht uit de atmosfeer reageert met ijzer of een ander metaal en dit weer terugbrengt in de geoxideerde toestand waarin het oorspronkelijk ook aanwezig was in de aarde.

Het doel van corrosiebescherming is dus dit natuurlijke proces zo veel mogelijk te vertragen.

In zout water worden alle corrosieprocessen versneld hoewel ook daarin zuurstof de oxidator is. Maar door de natrium- en de chlorideionen is het geleidingsvermogen in zout water veel hoger dan in zuiver water en is de kortsluitstroom van de corrosiecel ook veel hoger.

Het aflezen van de precieze corrosiereactie in een bepaald milieu kan gebeuren middels het Pourbaixdiagram.

Zuurstofcorrosie[bewerken]

Bij zuurstofcorrosie worden opgeloste zuurstofmoleculen gereduceerd tot hydroxide (OH-) ionen, waarbij het metaal gelijktijdig reageert tot een oxide.

Het roesten van ijzer is een voorbeeld van zuurstofcorrosie.

Dit kunnen we eenvoudiger presenteren door de reactie weer te geven als enkele (denkbeeldige) halfreacties:

  • 6 H2O + 3 O2 + 12 e- → 12 OH-
  • 4 Fe → 4 Fe3+ + 12 e-
  • 4 Fe3+ + 12 OH- → 2 Fe2O3 + 6 H2O

Deze halfreacties leveren samen:

  • 4 Fe + 3 O2 → 2 Fe2O3

Zuurstofcorrosie treedt op in een vochtige omgeving die neutraal of basisch is. Voorts moet de metaal/metaaloxide reactie een lagere standaard redoxpotentiaal hebben dan het redoxpaar O2 / OH- (0,4 volt).

Uniforme corrosie[bewerken]

Dit is het uniform corroderen van oppervlakten zonder beschermende oxidelaag. De snelheid van dit type corrosie hangt in eerste instantie af van de luchtvochtigheid. In zee of industriële omstandigheden (aanwezigheid van Cl- ionen of SO2) ontstaan hygroscopische corrosieproducten die de corrosievorming sterk bevorderen.

Zuurcorrosie[bewerken]

Bij de zuurcorrosie reageren metalen met een zuur tot een metaalzout en waterstofgas.

Zuurcorrosie treedt op bij blootstelling van een metaal aan een zuurhoudend elektroliet (pH < 7). De heftigheid van deze vorm van corrosie hangt, behalve van de sterkte van het zuur, ook sterk af van de plaats van het metaal in de zogenaamde spanningsreeks. Het moet hierin aan de linkerzijde van waterstof vermeld worden. Hoe verder het in deze reeks naar links staat, hoe heftiger de reactie.

Galvanische corrosie[bewerken]

Galvanische corrosie treedt op als twee aan elkaar bevestigde metalen worden blootgesteld aan een neutraal elektroliet (pH ca 7). Hierbij zal het metaal wat het meest links in de spanningsreeks vermeld staat, versneld corroderen en het andere metaal minder snel.

Twee verschillende en aan elkaar gekoppelde metalen in een elektroliet vormen een zogenaamd galvanisch koppel, dit zal in de elektroliet een potentiaal aannemen tussen de rustpotentialen van de beide metalen in. Voor het minst edele metaal van het koppel veroorzaakt dit versnelde corrosie als gevolg van de potentiaalverhoging, terwijl het andere, "edeler", metaal juist minder zal corroderen dankzij de potentiaalverlaging. Van dit verschijnsel wordt bewust gebruikgemaakt bij kathodische bescherming. Dit alles is echter alleen mogelijk in aanwezigheid van zuurstof, opgelost in het elektroliet.

Spanningscorrosie[bewerken]

Spanningscorrosie treedt op in bepaalde metalen onder de gelijktijdige inwerking van een corrosief medium en trekspanningen. Zonder de trekspanningen zou hetzelfde corrosieve medium veelal geen noemenswaardige aantasting van het metaal veroorzaken. Voor spanningscorrosie wordt vaak de afkorting SCC gebruikt (Engels: Stress Corrosion Cracking).

Zoals de Engelse afkorting al suggereert, in het Nederlands wordt officieel ook gesproken van scheurvormende spanningscorrosie. Er ontstaan scheuren in de legering.

Het bekendste voorbeeld van scheurvormende spanningscorrosie is chloride spanningscorrosie in roestvast staal. Dit treedt over het algemeen op als wordt voldaan aan drie voorwaarden:

  1. Aanwezigheid van chloride in het water. Dit hoeft maar heel weinig te zijn, leidingwater met 50 mg/liter bevat al genoeg chloride.
  2. Een temperatuur hoger dan 50-60 graden Celsius.
  3. Aanwezigheid van trekspanningen in het onderdeel. Deze spanningen kunnen ook spanningen ten gevolge van 'koude deformatie' zijn.

Sinds tien jaar is gebleken dat in binnenzwembaden reeds spanningscorrosie kan optreden bij temperaturen die veel lager liggen dan 50-60 graden Celsius. In Steenwijk is in 2001 een heel plafond ingestort en in Uster (Zwitserland) is in 1985 een betonnen zwembaddak ingestort ten gevolge van scheurvormende spanningscorrosie in roestvaststalen bevestigingsmiddelen. Hierbij waren twaalf doden te betreuren.

Om die corrosie tegen te gaan, kan een toeslag van molybdeen helpen. De duurdere soorten roestvast staal 316, 316L en 316Ti zijn veel beter bestand dan het goedkopere roestvast staal 304.

Corrosie door zwerfstromen[bewerken]

De belangrijkste bronnen van zwerfstromen in de bodem zijn de spoor- en tramlijnen en enkele grote elektrolysebedrijven (chloor- en aluminiumproductie). Je zou het een elektrische bodemvervuiling kunnen noemen.

Wisselstromen zijn betrekkelijk ongevaarlijk. Maar gelijkstromen kunnen de oorzaak zijn van aantasting van metalen voorwerpen in de bodem zoals pijpleidingen en olie- en benzinetanks. Zwerfstromen gaan gedeeltelijk door deze metalen voorwerpen en daarbij ontstaan anode- en kathodeplaatsen. Dit gebeurt meestal op vaste plaatsen zodat er op de anodeplaatsen versnelde corrosie optreedt. Een middel hiertegen is de zogenaamde kathodische bescherming. Soms wordt bijvoorbeeld een negatieve elektrische gelijkspanning op een ondergrondse metalen leiding gezet om ze tegen corrosie als gevolg van zwerfstromen te beschermen. Voor ondergrondse leidingen van gas of water loont dit meestal niet de moeite, maar voor bijvoorbeeld stoomleidingen is dat een gangbare praktijk.

Putcorrosie[bewerken]

Putcorrosie treedt op bij materialen die zich tegen corrosie beschermen met een oxide-laag, hierbij penetreren deeltjes (vaak chloride-ionen) de beschermende laag.

De gevoeligheid van een legering voor putcorrosie wordt aangegeven met de pitting resistance equivalent (PRE).

Spleetcorrosie[bewerken]

Zoals de naam aangeeft treedt spleetcorrosie op in spleten en kieren die opgevuld raken met water. In deze kieren en spleten kan het water niet voldoende ververst worden, zodat het water een andere, gevaarlijker, samenstelling krijgt.

Interkristallijne corrosie[bewerken]

Interkristallijne corrosie is het ontstaan van corrosie langs de korrelgrenzen van een legering. De kristallen zelf blijven vrijwel onaangetast, maar het metaal verliest wel zijn samenhang. Hoewel slechts een kleine hoeveelheid legering corrodeert, kan de schade zeer groot zijn.

Deze corrosie ontstaat vaak wanneer het materiaal een lange tijd op relatief hoge temperatuur wordt gehouden, hierdoor segregeert de chroom door de vorming van chroomcarbide Cr23C6 (deze stof is erg rijk aan chroom, die de corrosievorming tegengaat).

Dit proces wordt tegengaan door verminderen van de concentraties van de stoffen die tot de vorming van het carbide zorgen: het toepassen van staal met een extra laag koolstofgehalte (type L staal), of door het staal te stabiliseren door titanium, niobium, of tantalum toe te voegen (aangeduid met de toevoeging Ti, Nb of Ta).

Effecten van corrosie[bewerken]

Corrosie leidt tot sterkteverlies, omdat de corrosieproducten (oxiden en zouten) veel zwakker zijn dan het metaal. De corrosieproducten brokkelen af en de metalen delen worden dunner. Op deze wijze kunnen zelfs gaten vallen in metalen platen.

Een bijkomend probleem is, dat de corrosieproducten een groter volume innemen dan het metaal. Door uitzetten van het materiaal kan een constructie ontwricht worden. Dit treedt bijvoorbeeld op in de vorm van betonrot, waarbij het wapeningsstaal van gewapend beton gaat roesten.

Bij sommige soorten van corrosie wordt een ondoordringbaar laagje metaaloxide gevormd, waardoor het corrosieproces wordt gestopt. Dat is de verklaring voor het feit dat aluminium nauwelijks corrodeert, hoewel het op zichzelf zeer gevoelig is voor corrosiereacties.

Corrosiepreventie[bewerken]

Constructieve details[bewerken]

Door een betere manier van construeren kan corrosie aanzienlijk worden verminderd of zelfs worden voorkomen.

  • Zorg dat water niet lang op de constructie kan blijven staan. Dit water is nodig als transportmiddel van de reactieproducten.
  • Zorg dat zich geen vuil kan verzamelen.
  • Vermijd spleten. Deze kunnen gevuld worden met vocht.
  • Voorkom nauwe openingen. Hierdoor is het moeilijk om een beschermlaag aan te brengen en/of onderhoud te plegen.
  • Voorkom scherpe randen. Deze kunnen gemakkelijk beschadigen. Een eventuele beschermlaag zal op randen veel dunner zijn.
  • Zorg voor strakke lasnaden of bewerk ze na.
  • Voorkom contactcorrosie. Isoleer ongelijksoortige metalen van elkaar.
  • Zorg voor een onderhoudsvriendelijk ontwerp.

Materiaalkeuze[bewerken]

Het ene materiaal is gevoeliger voor corrosie dan het andere. De eerste methode van corrosiepreventie is het kiezen van een corrosiebestendig materiaal.

Beschermende laag[bewerken]

De volgende methoden schermen het kwetsbare materiaal af van het corrosie medium (bijvoorbeeld de buitenlucht):

  • Coatings (verven of lakken)
  • Bekleden met rubber of harsen
  • Verzinken, bijvoorbeeld door galvaniseren
  • Emailleren, bekend van kookgerei.
  • Anodiseren van aluminium; daarbij wordt elektrochemisch een aluminiumoxide laag gevormd op het materiaal, die verdere corrosie belemmert.
  • Bruneren, het dompelen van staal in een hete alkalisch-oxiderende oplossing, waardoor op het oppervlak van het te behandelen product een dun laagje van zwart ijzeroxide (Fe3O4) wordt gecreëerd.

Bij sommige materialen (aluminium, roestvast staal) is dit niet nodig: het oxide vormt een hechte, aansluitende en beschermende laag rond het metaal. Dit in tegenstelling tot ijzer, waarvan de oxide een poreus laagje is. In het eerste geval wordt het oxideren van de dieperliggende delen belet, in het tweede geval niet.

Kathodische bescherming[bewerken]

Nuvola single chevron right.svg Zie Kathodische bescherming voor het hoofdartikel over dit onderwerp.

Kathodische bescherming is een methode van corrosiebestrijding en berust op het principe van potentiaalverlaging van het te beschermen object.

Door de potentiaal voldoende te verlagen wordt de anodereactie van ijzer tot ijzerionen zo sterk vertraagd dat hij praktisch te verwaarlozen is. Het te beschermen voorwerp (bijvoorbeeld een pijpleiding in water of in de grond) wordt daarbij kathode. Aan deze buis vindt alleen de kathodische waterreductie plaats (waterstofgasvorming). De stroom die daarvoor nodig is wordt meestal beschermstroom genoemd. De benaming beschermstroom is de facto incorrect, want het gaat om de potentiaal (spanning) en die moet dan ook regelmatig gecontroleerd worden.

Bronnen

  • Corrosie en haar Bestrijding, door dipl. ing H.G. Zelders, uitgave Stam 1962.
  • Materiaalkunde voor Technici door Kenneth G Budinski, uitgave Academic Service 1996, hoofdstuk 13/pag 475 ev.
Zoek dit woord op in WikiWoordenboek