Corrosie, Algemeen

Corrosie, Algemeen


Waarschijnlijk is de reactie van gewoon staal met zijn omgeving, waarbij een volumineuze, en poreuze roestlaag wordt gevormd, wel het meest bekende voorbeeld van wat corrosie wordt genoemd. Hiervoor bestaan vele bekenden voorbeelden uit het dagelijks leven zoals het roesten van tuinhekjes, staalconstructies, schepen het doorroesten van bouten en moeren of uitlaten van auto’s etc. Vaak worden corrosie en roesten als synoniem beschouwd.

In het “Corrosion Education Manual” van de Europese Federatie voor Corrosie (EFC) wordt de volgende definitie gegeven;

“Corrosie is de aantasting van een materiaal door reactie met de omgeving met een daardoor veroorzaakte achteruitgang van de eigenschappen. Wanneer het materiaal niet expliciet wordt genoemd is het meestal een metaal en de waardigheid daarvan wordt door de corrosie verhoogd. Een uitzondering hierop wordt gevormd door het oplossen van een metaal in een gesmolten metaal of zout. Het woord corrosie kan zowel slaan op het proces van de aantasting als op de schadelijke gevolgen daarvan. Impliciet is het begrip corrosie als proces is de aantastingssnelheid per eenheid van oppervlak; impliciet is de veroorzaakte schade is de omvang en de aard van de schade gerelateerd aan de functie van het onderdeel in kwestie.”

Uit de definitie volgt op de eerste plaats dat corrosie altijd een oppervlakteverschijnsel is en noodzakelijk met de aanwezigheid van een agressief milieu is verbonden. Het corroderen van metalen is in wezen een natuurlijk proces; het metaal wordt daardoor omgezet in een stabielere toestand. Bij de bereiding van metalen worden de ertsen getransformeerd in het metaal ten koste van veel energie. Bij het corroderen wordt het metaal, door contact met de omgeving, spontaan weer in de stabiele vorm van zijn verbindingen omgezet. Veel van de onder atmosferische omstandigheden ontstane corrosieproducten, zoals roest bij de corrosie van ijzer en kopergroen bij de corrosie van koper, hebben vrijwel dezelfde samenstelling als bepaalde in de natuur aangetroffen ertsen van die metalen.

Jaarlijks kost de schade door corrosie ongeveer 17,5 miljard Euro. Dertig procent hiervan is vermijdbaar door de aanwezige kennis toe te passen. Corrosiebeheersing draagt ook bij aan energie- besparing, immers de vervaardiging van aan corrosie onderhevige metalen gaat vaak gepaard met hoge energie-input en “last but not least” de levensduur optimalisering door corrosie bestrijding gecombineerd met hergebruik van de metalen, beperkt de uitputting van de grondstoffen wereldwijd.


Het roesten van ijzer en staal

Een beknopte uiteenzetting van het roesten van staal is vereist om de bestrijding van dit euvel beter uit te kunnen voeren. Corrosie is zeer vaak een elektrochemisch proces, waarbij kortgesloten galvanische elementen een rol spelen, welke hieronder worden beschreven.


a)     Twee verschillende metalen (electroden) onderling in geleidend contact en beide in aanraking met eenzelfde elektrolyt. Hierbij gaat het minst edele metaal in oplossing; dit metaal is de anode. Aan het edele metaal, de kathode, kan waterstof ontwijken indien de door het potentiaalverschil opgewekte E.M.K. (elektromotorische of drijvende kracht) van het element voldoende hoog is. Zo niet dan wordt het metaal bedekt met een laagje waterstof. Deze waterstof vormt een tegenpotentiaal waardoor het elektronentransport tot staan komt en de corrosie dus niet verder voortschrijdt. Men zegt dat deze elektrode (het edelste metaal) is gepolariseerd. Waterstof kan door diffusie verdwijnen en ook door zuurstof worden geoxideerd (depolarisatie). De stroomsterkte neemt dan weer toe, dus ook de corrosie.

De stroom en dus de corrosiesnelheid worden mede bepaald door de grootte van het met waterstof beladen elektroden-oppervlak. Zo wordt het begrijpelijk dat een groot kathodisch areaal op een klein anodisch oppervlak de corrosie versnelt. Omgekeerd zal een klein edel oppervlak op een groot minder edel oppervlak weinig invloed uitoefenen. Voor het ontstaan van corrosie is het al voldoende wanneer een klein potentiaalverschil (bv. 20-40 mV) ontstaat en tevens zuurstof aanwezig is.

 
b)    Een andere vorm van een galvanisch element ontstaat indien twee gelijke metalen in aanraking zijn met verschillende elektrolyten, waarbij vaak de zuurstofconcentratieverschillen de grootste invloed uitoefenen. De plaatsen waar het minste zuurstof aanwezig is zijn de anoden. Dit element kan optreden in naden tussen twee staalplaten, bij boutverbindingen, onder klinknagelranden, onder rubberafdichtingen, enz. Hierdoor kan roestvorming sterk voortschrijden en leiden tot pitting of putvormige corrosie.

Staal is heterogeen vanwege zijn verschillende structuren (perliet, ferriet), zijn onregelmatige oxydehuid, lokale verschillen in samenstelling en de door koud-vervormen optredende afwijkingen. Bij plaatselijk in het staal onder een elektrolytlaagje optredende z.g. lokaalelementen onderscheidt men anodische en kathodische plaatsen. Op een anodische plaats gaat staal in oplossing; op een kathodische plaats kan waterstof worden afgezet. Onder de omstandigheden vermeld onder a) en b) gaat ijzer op alle anodische plaatsen in oplossing onder afgifte van elektronen (negatief geladen elektriciteitsdeeltjes) en ijzerionen (positief geladen ijzeratomen). De anodische en kathodische plaatsen kunnen van tijd tot tijd wisselen als gevolg van bepaalde nevenreacties en daardoor gaat op den duur het gehele staal in oplossing.


De anode-reactie wordt als volgt geschreven:  Fe  ↔  Fe++ + 2 e

Water (de elektrolyt) is zeer zwak gesplitst in hydroxyl- en waterstof- ionen: H2O  ↔  OH- + H+

Toch bevat een druppel water ca. 3 miljoen OH- -ionen en ca. 3 miljoen H+ -ionen. Wanneer tijdens het roestproces hydroxyl- of waterstofionen worden verbruikt verschuift dit evenwicht. De vrijgekomen elektronen begeven zich naar de kathodische plaatsen van het staaloppervlak. Aldaar worden de waterstofionen en de elektronen verenigd, soms onder waterstofontwikkeling.

Deze reactie kan als volgt worden omschreven:  2 H+ + 2 e  →  2H  →  H2

Dit gas ontwijkt in kleine belletjes uit het water, uit de zoutoplossing of uit het zuur waarmee het staal- oppervlak in contact is.

Ook kan de navolgende reactie verlopen:  H+ + e  →  H     Deze waterstof wordt geabsorbeerd aan de kathode.

De zuurstof, die opgelost is in het water respectievelijk de elektrolyt, kan eveneens elektronen binden onder vorming van hydroxyl-ionen volgens volgende vergelijking:  O2 + 2 H2O + 4e  →  4 OH-

Laatstgenoemde reactie verloopt voornamelijk in een alkalisch milieu terwijl de eerder genoemde waterstofontwikkeling vooral in een zuur milieu plaatsvindt en – in zwakke mate – ook in neutrale zoutoplossingen. De opgeloste zuurstof kan voorts reageren met de ontwikkelde waterstof onder vorming van water volgens de volgende reactie:  O2 + 4 H+ + 4e  →  2 H2O

Tenslotte bestaat soms de mogelijkheid dat aan de kathoden waterstofperoxyde wordt gevormd volgens de reactievergelijking:  
O2 + 2 H2O + 2 e  →  H2O2 + 2 OH-



corrosie




Soms ontwijkt de waterstof slechts langzaam aan de kathode en blijven de gasbelletjes hieraan hechten. Ook kunnen de gevormde hydroxyl-ionen met b.v. calcium-ionen, afkomstig van calciumbicarbonaat of calcium chloride, neerslaan als calciumcarbonaat CaCO3. Tijdens het roestproces aan de anodische en de kathodische plaatsen van het staaloppervlak gevormde stoffen kunnen zich met elkaar verbinden. Er wordt dan ferrohydroxyde Fe(OH)2 gevormd, dat door in het water opgeloste zuurstof wordt omgezet in ferrithydroxyde Fe(OH)3. Deze stof slaat uiteindelijk neer in de vorm van een roodbruin ijzerroest.

Roest is dus gehydrateerd ijzer(III)-oxide, doorlaatbaar voor lucht en water, waardoor het metaal ook verder bijft roesten. Uiteindelijk wordt gehele ijzermassa omgezet in roest.


Enige typen corrosie


Putvormige corrosie

Zoals de naam al aangeeft is dit een sterk gelokaliseerd type aantasting die gebeurt in de vorm van diepe en nauwe putten. Active metalen vertonen dit type corrosie alleen als gevolg van zeer bepaalde uitwendige omstandigheden, zoals plaatselijke bevochtiging of beschadigde plaatsen in de walshuid of in beschermende lagen. Poreuze corrosieproducten, waarin vocht en agressieve bestanddelen zich verzamelen, kunnen dan tot een versnelde aantasting leiden. Het mechanisme is in al deze gevallen precies hetzelfde als dat van algemene corrosie.

roesten



Spleet- en afzettingscorrosie


Plaatselijke verschillen in samenstelling van een opossing veroorzaken potentiaalverschillen op een in oplossing gedompeld metaal en leiden dus tot versnelde corrosie. In de praktijk komt dit vooral voor in spleten en onder (vuil)afzettingen.


Microbiologisch geïnduceerde corrosie


Wanneer een metaal aan een waterige oplossing wordt blootgesteld beginnen er allerlei elektrochemische reacties te verlopen, zoals uitvoerig besproken. In bepaalde gevallen kunnen micro-organismen het corrosieproces beïnvloeden, we spreken dan van MIC. De micro-organismen die in water aanwezig zijn veroorzaken op het metaaloppervlak vaak de vorming van een z.g. biofilm die het metaal afsluit van direct contact met de omringende vloeistof en waaronder de samenstelling van het milieu kan veranderen en daardoor de corrosiesnelheid kan verhogen, met name de volgende groep bacteriën kan hierbij een rol spelen:

-sulfaat reduceerdende bacteriën

-ijzer- en mangaan bacteriën

-zwavel-oxiderende bacteriën

Verder onderscheidt men vaak aërobe versus anaërobe bacteriën en slijmvormende tegenover zuurvormende bacteriën


Interkristallijne corrosie

Alle in de praktijk gebruikt materialen zijn polykristallijn, hetgeen betekend dat ze bestaan uit een groot aantal, meestal willekeurig georienteerde kristallijne gebieden; kristallieten of korrels genoemd. In het geval van kristallijne corrosie worden alleen de dunne grensgebieden tussen deze korrels aangetast. Ondanks dat het hierbij meestal betrekkelijk kleine gewichtsverlies treedt toch snel falen op doordat de samenhang tussen de kristallieten verdwijnt.


Spanningscorrosie en corrosievermoeiing


Zoals de naam al aangeeft zijn dit twee samenhangende vormen van corrosie die veroorzaakt worden door in het materiaal aanwezige spanningen. Bij wisselende spanningen spreekt men van corrosievermoeiing. De in het materiaal aanwezige trekspanningen leiden in beide gevallen, samen met de corrosieve aantasting, tot scheuren.


Erosie- en cavitatiecorrosie


Wanneer de gelijktijdeige werking van corrosie en erosie door een snelstromende vloeistof tot een onverwacht hevige aantasting leidt, die veel groter is dan de som van de afzonderlijke verschijnselen spreken we van erosie-corrosie. Dit verschijnsel wordt in het bijzonder waargnomen op plaatsen waar sterke turbulentie in de vloeistof optreedt zols bij scherpe bochten, vernauwingen, inlaateinden van nauwere pijpen, pompwaaiers, etc.

Cavitatie-corrosie is een gevolg van cavitatie, dat is belvorming in de vloeistof door sterke onderdruk, de bellen imploderen vervolgens in de directe omgeving van het metaaloppervlak die hierdoor wordt beschadigd. Dit is bijvoorbeeld een gevolg van een snelle beweging van het metaal in een richting loodrecht op het oppervlak waardoor in de vloeistof plaatselijk een vacuum ontstaat dit heeft in de meeste gevallen gegroepeerde putten met scherpe randen tot gevolg. Dit komt bijvoorbeeld voor op scheepsschroeven, pompwaaiers, etc.

Voorafgaand is een zeer summier overzicht gegeven van de belangrijkste vormen van corrosie, het is duidelijk dat dit overzicht verre van volledig is. Daarom wordt voor meer complete informatie naar de literatuur verwezen.

Back to Top