Korozja bimetaliczna

Śruby i nakrętki ze stali nierdzewnej z skorodowanymi podkładkami na ocynkowanej stalowej płycie podstawy

Domowa instalacja wody pitnej : Linia zasilająca prowadzona od dołu składa się z rury miedzianej. Korozja bimetaliczna doprowadziła do powstania wżerów w elemencie łączącym ( trójniku ) u dołu po lewej stronie, który jest wykonany ze stali ocynkowanej.

Bimetal korozję (również rdzewienia , korozja galwaniczna ) zgodnie z normą DIN EN ISO 8044 jest korozja spowodowana elektrochemicznej reakcji z dwóch różnych materiałów metalowych lub innych stałych przewodzącej elektrony. Warunkiem wstępnym jest inna pozycja w szeregu elektrochemicznym , inna odporność na korozję materiałów, ich bezpośredni kontakt i wspólne zwilżanie wodnym środkiem korozyjnym . Powoduje to powstanie galwanicznego elementu korozyjnego , porównywalnego do zwartego akumulatora : w wyniku generowanej elektryczności mniej szlachetny (tj. Mniej odporny na korozję) materiał jest niszczony przez usuwanie elektrochemiczne .

Ten rodzaj korozji jest zauważalny na przykład w życiu codziennym

• przy użyciu śrub, nakrętek, gwoździ lub nitów wykonanych z mniej szlachetnych materiałów metalowych na elementach ze stali nierdzewnej , mosiądzu lub miedzi
• kiedy druty miedziane były zaciskane razem z drutami aluminiowymi w celu przewodzenia prądu elektrycznego. Wpływ na korozję mają również związki międzymetaliczne powstałe w wyniku kontaktu metali.
• Gdy różne materiały metalowe są instalowane w rurze wodociągowej lub instalacji grzewczej (na przykład w przypadku rur wymiennika ciepła w kotle, przewodach zasilających, grzejnikach i kolektorach słonecznych).
• Dlatego blacha miedziana na dachach jest zawsze mocowana za pomocą miedzianych gwoździ.

Chociaż przyczyny były znane od początku XIX wieku, korozja bimetaliczna wielokrotnie prowadziła do uszkodzeń i wypadków.

reakcja

Korozja bimetaliczna żelaza w kontakcie z miedzią

Dwa różne metale w kontakcie elektrycznym znajdują się w ciekłym medium, ponieważ elektrolit może działać jak normalnie woda z rozpuszczonymi solami na elektrody . Ze względu na różne potencjały elektrod An napięcie elektryczne tworzy się między nimi, tak, że elektrony z atomów mniej szlachetnego metalu przenikają do bardziej szlachetnego metalu oraz tam prowadzą do reakcji z elektrolitem. W zamian jony mniej szlachetnego metalu reagują z elektrolitem. Zwarcie pomiędzy metalami i prądu jonowego w elektrolicie tworzy zamknięty układ , który określa się zakres reakcji redoks : anoda jest utleniane i powoli zniszczone, zaś katoda jest zmniejszona i chronione.

Napięcie elektryczne między materiałami zależy przede wszystkim od różnicy ich potencjałów standardowych , co można zobaczyć na podstawie szeregu elektrochemicznego , a także od stężeń składników roztworu ( równanie Nernsta ). Korozja zależy od aktualnie płynącego prądu , czyli od powierzchni odpowiadającej gęstości prądu . Prądu z zewnętrznego źródła prądu mogą wzmacniać to, co jest ważne w mikroelektronice .

W przypadku korozji bimetalicznej muszą być spełnione trzy warunki wstępne: styk elektryczny, połączenie elektrolityczne i różnica potencjałów między dwoma metalami. Anody o dużej powierzchni są mniej podatne na korozję niż katody o małej powierzchni niż na odwrót. Większa różnica potencjałów, rosnący stosunek powierzchni materiału szlachetnego do podstawowego, wyższe temperatury i rosnąca agresywność elektrolitu (patrz wartość pH ) zwiększają efekt korozji.

Dalsze manifestacje

Korozja bimetaliczna może również wystąpić między składnikami stopu, jeśli wytrącenia na granicach ziaren kryształów tworzą lokalny pierwiastek lub mikroelement na powierzchni . Przykładem jest grafit i żelazo w żeliwie : w porównaniu z żelazem grafit działa jak metal szlachetny i może prowadzić do gąbczastości .

Jeśli narzędzia tnące są używane naprzemiennie do materiałów szlachetnych i podstawowych, materiały podstawowe mogą ulec korozji przez pozostałe lub wtłoczone cząstki, takie jak pył szlifierski .

Określenie „przeniesienia” materiału jest również podstawą korozji, które mają być zapobiega się z tak zwanej zasady przepływu zgodnie z normą DIN 1988-7 rur: W przypadku rur wykonanych z różnych materiałów są połączone i nie jest wystarczająco tlenu w przewodzie, jak jest to w przypadku wody pitnej , np osadzają rozpuszczone jony miedzi na stali ocynkowanej i tym samym powodują korozję bimetali. Aby temu zapobiec, mniej szlachetne metale należy układać przed metalami bardziej szlachetnymi w kierunku przepływu.

ochrona

Istnieją dwie strategie ochrony przed korozją bimetaliczną: albo podejmuje się próbę zapobiegania elektrolizie (pasywna ochrona antykorozyjna ), albo stosuje się ją w sposób kontrolowany (aktywna ochrona antykorozyjna).

Zapobieganie elektrolizie

Złączki zwalniające do izolacji elektrycznej rurociągów : mosiężna szyjka po prawej stronie nie ma połączenia przewodzącego z króćcami, a nakrętka ze stali chromowanej po lewej stronie, ponieważ dwa czarne nieprzewodzące pierścienie uszczelniające uniemożliwiają kontakt.

Elektroliza nie może wystąpić, jeśli elektrycznie przewodzące połączenie między materiałami jest chronione przez izolację lub kontakt między metalem a elektrolitem jest uniemożliwiany przez uszczelnienie .

Bezpośrednim kontaktom rurociągów wykonanych z różnych materiałów zapobiega np. Tzw. Armatura rozdzielająca lub izolacyjna lub rozdzielające połączenia śrubowe. Podobnie istnieją złącza aluminiowo-miedziane do instalacji elektrycznych. Zapobiegają rozkładowi aluminium, co prowadzi do wzrostu oporu elektrycznego .

Ochronę przed cieczami przewodzącymi prąd elektryczny ( elektrolitami ) może zapewnić powłoka . Alternatywnie, chemikalia ( inhibitory korozji ) mogą zmniejszyć skuteczność elektrolitów .

Jeśli elektrolit powstaje w wyniku działania wilgoci z powietrza , można podjąć środki w celu osuszenia powietrza lub zapobieżenia skraplaniu .

Poprzez dobór odpowiedniego materiału istniejące różnice potencjałów można zredukować od samego początku (patrz zasada przepływu dla budowy rurociągu).

Powłoka z warstwą metalu szlachetnego jest skuteczna tylko tak długo, jak długo ta warstwa pozostaje nienaruszona; jeśli uszkodzenie jest niewielkie, korozja postępuje intensywniej. Jest to problem na przykład z blachą pojemników na żywność lub ze złoceniem w technice dentystycznej . Z drugiej strony, dzięki aktywnej ochronie stali przez mniej szlachetny cynk (patrz następny rozdział), surowa stal jest chroniona przed korozją, nawet jeśli warstwa cynku jest lekko uszkodzona.

Aktywna ochrona przed korozją

Skorodowana anoda ofiarna na kadłubie statku

Kontrolowane wykorzystanie elektrolizy odbywa się za pomocą „aktywnych” środków ochronnych:

• Za pomocą anody protektorowej , na przykład z cynku lub magnezu , korozja bimetal jest ograniczony do tego. W ten sposób chroniony materiał staje się katodą ( ochrona katodowa ). Anody protektorowe są zwykle stosowane na zewnętrznych powłokach statków, a także na wewnętrznych ścianach rurociągów i zbiorników z cieczami.
• Również w wyniku aktywnej powłoki z mniej szlachetnym metalem (takim jak stal cynkowana ), powlekany metal jest atakowany tylko wtedy, gdy powłoka jest całkowicie skorodowana.
• Anody obciążone prądem są zasilane stałym napięciem elektrycznym w celu kompensacji różnic potencjałów związanych z materiałem. Często są używane w większych pojemnikach na ciecze.

Pasywacja

Pasywacja jest połączeniem obu strategii : Korozja jest dozwolona lub promowana, jeśli tworzy ochronną warstwę tlenku na mniej szlachetnym metalu. Chroniony materiał jest wbudowany w anodę i tworzy warstwę tlenku, która może być bardziej odporna na korozję niż wiele innych metali szlachetnych. Do obliczenia tego efektu ochronnego stosuje się współczynnik Pilling-Bedworth . Stal chromowa jest chroniona dzięki temu, że jej składnik stopowy , chrom, tworzy warstwę tlenkową. Można również stworzyć pasywację w szczególności: anodowanie jest powszechną formą ochrony przed korozją, zwłaszcza w przypadku metali lekkich, takich jak aluminium i jego stopy . Ze względu na bardziej stabilną warstwę tlenku tytan jest używany, gdy jest narażony na duże obciążenia .

Odpowiednie kombinacje materiałów

Elementy złączne w budownictwie

Jeśli element metalowy jest mniej szlachetny, a jednocześnie ma mniejszą powierzchnię niż element sąsiedni, zwykle jest narażony na korozję.

W budownictwie , bardziej niż w innych dziedzinach techniki, można przyjąć praktyczne zasady. Poniższe zalecenia mają zastosowanie w następujących warunkach:

• Pierwszy wymieniony materiał w każdym przypadku odnosi się do śrub i innych elementów złącznych i łączników, których powierzchnia jest co najmniej 10 do 40 razy mniejsza niż element odbiorczy
• Umiarkowanie agresywne medium korozyjne (woda kondensacyjna, woda deszczowa itp.). W pobliżu wody morskiej mogą być wymagane dodatkowe środki ochronne.
• Umiarkowane temperatury otoczenia i materiału

Stal nierdzewną można dobrze łączyć z większymi elementami wykonanymi z miedzi , mosiądzu i stali , a także bardzo dobrze z większymi elementami wykonanymi z aluminium .

Aluminium można dobrze łączyć z większymi elementami wykonanymi ze stali nierdzewnej, miedzi i mosiądzu. Zasadniczo dotyczy to również większych elementów wykonanych z czystej stali.

Miedź można dobrze łączyć z większymi elementami wykonanymi z mosiądzu. Zasadniczo dotyczy to również większych elementów wykonanych ze stali nierdzewnej, aluminium i stali.

Mosiądz można dobrze łączyć z większymi elementami wykonanymi z miedzi. Zasadniczo dotyczy to również większych elementów wykonanych ze stali nierdzewnej, aluminium i stali.

Stal ocynkowaną, a następnie czarną pasywowaną można dobrze łączyć ze stalą ocynkowaną pasywowaną na niebiesko i żółto . Zasadniczo dotyczy to również większych elementów wykonanych z czystej stali. Nie zaleca się łączenia z większymi elementami wykonanymi z miedzi, mosiądzu, aluminium i stali nierdzewnej.

Stal ocynkowaną, a następnie pasywowaną na żółto można dobrze łączyć z większymi elementami wykonanymi ze stali ocynkowanej pasywowanej na niebiesko. Zasadniczo dotyczy to również większych elementów wykonanych z czystej stali i ocynkowanej stali pasywowanej na czarno. Nie zaleca się łączenia z większymi elementami wykonanymi z miedzi, mosiądzu, aluminium i stali nierdzewnej.

Stal ocynkowaną, a następnie pasywowaną na niebiesko można generalnie łączyć z większymi elementami wykonanymi z czystej stali, jak również ze stalą ocynkowaną pasywowaną na czarno i żółto. Nie zaleca się łączenia z większymi elementami wykonanymi z miedzi, mosiądzu, aluminium i stali nierdzewnej.

Nie zaleca się łączenia gołej stali z większymi elementami wykonanymi ze stali ocynkowanej i za wszelką cenę należy unikać łączenia z większymi elementami wykonanymi z miedzi, mosiądzu, aluminium i stali nierdzewnej.

Instalacja wodno-kanalizacyjna

Reguła przepływu dla instalacji wody pitnej

W rurociągach, które przenoszą wodę bogatą w tlen, taką jak woda pitna , na przykład jony miedzi rozpuszczone z rur miedzianych mogą być transportowane przez wodę, a następnie osadzać się na stali ocynkowanej i prowadzić do korozji wżerowej .

Tak zwana reguła przepływu według normy DIN 1988-7 mówi, że w kierunku przepływu medium należy stosować coraz więcej metali szlachetnych.

Szczególnie ważne jest, aby za rurami miedzianymi w kierunku przepływu nie były instalowane żadne rury stalowe ani ze stali ocynkowanej (emaliowany zbiornik ciepłej wody!). Z drugiej strony, przewody miedziane za ocynkowanymi rurami nie stanowią na ogół problemu.Jeśli nie można wykluczyć przepływów zwrotnych z powodu wahań ciśnienia, nie należy łączyć obu materiałów bezpośrednio, ale raczej oddzielić je za pomocą adaptera wykonanego z brązu lub mosiądzu lub lepiej oddzielającego połączenia śrubowego.

Obiegi grzewcze

W zamkniętych obiegów The nasycenia tlenu w wodzie jest niska. Przy zastosowaniu odpowiednich materiałów korozja elektrochemiczna praktycznie nie występuje po zużyciu tlenu zawartego w wodzie. W przeciwieństwie do wcześniej stosowanych otwartych systemów grzewczych i przez nieszczelne dla tlenu rury z tworzywa sztucznego tlen mógł wielokrotnie dostawać się do obwodu.

W obwodach grzewczych nie należy stosować rur stalowych ocynkowanych wewnętrznie, ponieważ powstające produkty reakcji osadzają się w systemie grzewczym jako szlam. Natomiast połączenie rur wykonanych z czystej stali i miedzi sprawdziło się. Zastosowanie elementów wykonanych z mosiądzu , brązu , stali nierdzewnej i aluminium jest zwykle możliwe bez żadnych problemów w obiegu grzewczym. Jednak użycie aluminium wymaga kontroli i kontroli wartości pH .

fabuła

Wykorzystanie korozji bimetalicznej do wytwarzania energii elektrycznej: ułożone w stos płytki Alessandro Volta wykonane z miedzi i cynku oraz warstwa elektrolitu jedna na drugiej, tworząc kolumnę galwaniczną .

Korozja bimetaliczna jest tak stara jak obróbka metali , ale można ją było systematycznie zwalczać dopiero po zrozumieniu mechanizmu jej powstawania. Rzymskie drewniane statki pochodziły z około 500 roku pne. BC (patrz statki starożytności ) pokryte ołowianą skórą, która została przymocowana miedzianymi gwoździami. W rezultacie, korozja bimetal opracowany między pół- cennej miedzi i podstawy ołowiu w silnie elektrolitycznej wody morskiej . Odkryto miedziane gwoździe powlekane ołowiem, które wydają się łagodzić ten problem.

Pierwsze badanie korozji bimetalicznej zostało zlecone przez Królewską Marynarkę Wojenną w 1763 roku, ponieważ żelazne gwoździe używane do mocowania miedzianych płyt na kadłubie fregaty HMS Alarm skorodowały niezwykle szybko. Jednak przyczyn nie można było zrozumieć przed powstaniem teorii elektryczności przez Alessandro Voltę i elektrolizą przez Alexandra von Humboldta w 1795 roku. Johann Wilhelm Ritter zauważył w 1798 r., Że szereg napięć metali jest identyczny z szeregiem ich odporności na korozję. Tylko brytyjski chemik Humphry Davy był w stanie oprzeć swoje eksperymenty na rozważaniach teoretycznych i odkrył w 1824 r., Że miedź na kadłubie okrętów wojennych może być chroniona przez mocowanie cynkowych i żeliwnych płyt jako anod ofiarnych. W 1833 r. Jego uczeń Michael Faraday znalazł podstawę obliczeniową do ulepszenia tej ochrony przed korozją, ustalając, że masa skorodowanej materii jest proporcjonalna do ładunku elektrycznego (patrz prawa Faradaya ). Obecne pod wrażeniem anody , które wymagają zasilania energią elektryczną , dopiero od początku XX wieku stopniowo zyskiwały akceptację.

Podczas renowacji Statuy Wolności z okazji 100-lecia w połowie lat osiemdziesiątych XX wieku odkryto, że powłoka z szelaku i azbestu , która miała izolować elektrycznie żelazną konstrukcję od jej miedzianej okładziny, stała się porowata i oferowała miejsce dla elektrolitów, tak że korozja bimetalu była bardzo zaawansowana. .

W przypadku śmigłowca NATO NH90 stwierdzono, że podobne do grafitu włókna węglowe w tworzywie wzmocnionym włóknem węglowym zachowują się jak metal szlachetny i prowadzą do korozji bimetalicznej w kontakcie z metalami.

literatura

• DIN EN ISO 8044: 2015-12 Korozja metali i stopów - Podstawowe pojęcia i definicje .
• Helmut Kaesche: Korozja metali: zasady fizykochemiczne i aktualne problemy . Wydanie trzecie, Springer, Berlin 2011, ISBN 978-3642184284 .
• Elsbeth Wendler-Kalsch, Hubert Graefen: Teoria uszkodzeń spowodowanych korozją . Springer, Berlin 2012, ISBN 978-3642304316 .

linki internetowe

• Harald Schreckenberger: Ryzyko korozji kontaktowej w komponentach CFRP , Stuttgart 2013 , plik PDF dostęp 4 czerwca 2016 r.

Indywidualne dowody