Korrosion

Korrosion i havsmiljö

Korrosionsskydd av skilda slag leder till potentialskillnad och därmed korrosion

Korrosion (från latinets corrodere som betyder fräta sönder), frätning, innebär att ett material, vanligtvis en metall, löses upp genom en kemisk reaktion med omgivningen. Även andra material än metaller, så som plaster eller keramer, kan teoretiskt sett korrodera. I allmänhet räknas dock enbart metaller till de material som korroderar. Korrosion har sin grund i de olika materialens molekylära strukturer. Metaller skapas ur olika mineraler såsom järnockra eller limonit. Metallen blir då till sin grundstruktur instabilare än ursprungsmineralen. Metallens inre krafter gör att metallen bryts ner till en stabilare förening, mer lik ursprungsmineralen.

Vid korrosion behöver det inte nödvändigtvis bildas korrosionsprodukter utan korrosionsprodukten kan lösas i oxidationsmedlet. Korrosion kan ske i en omgivning av såväl luft som vatten, men även i kemiska lösningar, med mera.

Teori

För att en korrosionsprocess ska kunna ske måste metallen utsättas för ett oxidationsmedel samtidigt som elektroner måste kunna vandra från en anodyta till en katodyta. Korrosionsprocessen består av två halvceller, nämligen oxidation och reduktion. Där oxidationen sker, sker även angreppet på metallen. Metallen bildar metalljoner medan elektroner avges. Vid reduktionsdelen tas elektronerna upp och binds med oxidationsmedlet; oxidationsmedlet reduceras. De vanligaste katodreaktionerna är reduktion av syre (O₂ + 2 H₂O + 4 e^– → 4 OH^–) och vätejoner (2 H⁺ + 2 e^– → H₂). Vanliga anodreaktioner är oxidation av en godtycklig metallatom (M → Mⁿ⁺ 4+n e^–) samt oxidation av vätgas (H₂ → 2 H⁺ + 2 e^-). M står här för en godtycklig metall och n står för laddning/antal elektroner.

Vanliga exempel på oxidationer är:

Fe → Fe²⁺ + 2e^–

Ni → Ni²⁺ + 2e^–

Al → Al³⁺ + 3e^–

Hastighet

Korrosionshastigheten definieras som tjockleksminskning per tidsenhet, det vill säga materialförlust per tidsenhet, och mäts ofta i enheten mm/år. Korrosionshastigheten beräknas genom storleken av ström per areaenhet. En liten area som korroderar lokalt på en större konstruktionsarea, t ex gropfrätning, kan ha en hög korrosionsström per korroderande areaenhet i gropen. Korrosionshastigheten kan i detta fall vara svår att beräkna för hela konstruktionen då det är endast punkter som korroderar. En allmän korrosion som sker på hela konstruktionsarean ger en jämnare ström per areaenhet och materialet korroderar jämnt över hela ytan. Korrosionshastigheten kan då beräknas genom strömtäthet som betecknas i, mäts vanligtvis i ampere per cm² och definieras som totalström dividerat med area, det vill säga i = I/A.

MPY är ett amerikanskt mått som står för "mils per year," det vill säga tusendels inch per år. Måttet används främst vid korrosionsmätningar för att ange korrosionshastigheten.

Passivering

Vid korrosion bildas ibland en oxid som reaktionsprodukt. Denna oxid bildar en tät och vidhäftande hinna på ytan som begränsar kontakten med oxidationsmedlet. Den så kallade passiva ytan är oftast bara några mikrometer tjock men isolerar halvcellerna tillräckligt för att begränsa korrosionen (oftast kring 0,01 mA/cm²).

Exempel på passiva material i luft är rostfritt stål, aluminium och titan. Korrosion, vardagligt kallat rost, lägger sig förvisso på ytan men inte tillräckligt för att passivering ska kunna ske. Oxidskiktet är helt enkelt inte tätt nog för att hålla ute oxidationsmedlet. Finns komplexbildare (till exempel kloridjoner) i oxidationsmedlet ökar jonledningen vilket gör passivskiktet instabilt.

Korrosionstyper

Allmän korrosion

Vid allmän korrosion finns anod- och katodytor överallt på ytan vilket gör att hela ytan korroderar. Allmän korrosion av metaller påskyndas av hög temperatur, lågt pH-värde, närvaro av klorider, närvaro av oxidationsmedel samt typ av legering.

Korrosionens elektrokemiska natur

Figuren bredvid är en bra visualisering av en allmän korrosionsprocess. Korrosionen sker i detta fall mellan järn (Fe), syre (O₂) och vatten (H₂O). Korrosionen gröper ur metallen på anodytan genom oxidation. Järnjoner (Fe²⁺) frigörs samtidigt som elektroner vandrar över till katodytan. Vid katodytan sker en reduktion varvid elektronerna binds med oxidationsmedlet. I detta fallet är oxidationsmedlen syre och vatten som bildar hydroxidjoner (OH^-). Hydroxidjonerna binds med järnjonerna och bildar järnhydroxid (Fe(OH)₂), vilken är mer känd som rost. Eftersom ytan består av massor av anod- och katodytor angrips hela ytan.

Koppartak på Riddarhuset i Gamla Stan, Stockholm.

Ett annat exempel på allmän korrosion är den korrosion som koppartak utsätts för. När koppar korroderar bildas en grön yta. Denna yta består normalt sett av två skikt. Ett inre skikt kuprit (Cu₂O), som är svart, samt ett yttre skikt som kan bestå av två olika oxider. Om luften är fri från salt består taket av enbart av brokantit (Cu₄(OH)₆SO₄), som är grön. Innehåller luften salt består det yttre skiktet helt eller delvis av atakamit (Cu₂(OH)₃Cl) som också den är grön.

Kolstål utsätts för allmän korrosion om den relativa luftfuktigheten når 60 % eller högre. Över dessa 60 % är luftfuktigheten relativ korrosionshastigheten.

Bimetallkorrosion

Bimetallkorrosion, eller som det tidigare kallades galvanisk korrosion är en form av lokal korrosion. Om metaller med olika ädelhet (olika korrosionspotential, även kallat kontaktpotential eller elektrod potential) är i kontakt och utsätts för en elektrolyt skapas en galvanisk cell. Metallen med högre korrosionspotential blir då katod medan den med lägre potential blir anod. Dock krävs en skillnad i korrosionspotential på minst 50 mV för att processen skall komma igång. Bimetallkorrosion sker enligt: i_anodA_anod = i_katodA_katod, där i står för strömtäthet (A/cm²) och A för area (cm²). Utgående från denna ekvation ser man att bimetallkorrosion går mycket fort då anodytan är liten och katodytan stor.

Gropfrätning

Gropfrätning (ibland kallat för engelskans pitting) är en lokal korrosion på passiverbara metaller som huvudsakligen uppkommer i neutrala eller sura lösningar som innehåller halogenjoner så som kloridjoner. Kloridjonerna gör passivskiktet instabilt som resulterar i att svaga ställen blottas. Passivytan blir då katodyta och den exponerade metallen blir anodyta. Enligt formeln ovan (galvanisk korrosion) leder en stor katodyta och en liten anodyta till en mycket hög anodströmtäthet, det vill säga en mycket hög korrosionshastighet. Korrosionen sker inte på ytan, eftersom denna utgör katodyta, utan på den exponerade metallytan. Därför visar sig rosten som en grop. Detta fenomen gäller alla passiverbara metaller utom titan, vars passivskikt kan stå emot kloridjonerna. Dessutom ökar koncentrationen av väte- och kloridjoner i gropen, vilket ökar korrosionen med tiden. Vätejoner leder nämligen till att lösningen blir surare medan kloridjonerna ökar jonledningen i oxidationsmedlet. Temperatur har en stor inverkan på gropfrätning eftersom många material är passiva vid låga temperaturer i vissa miljöer till dess att man uppnår en så kallad gropfrätningstemperatur. Salttyp spelar också stor roll eftersom vanlig natriumklorid inte binder lika många vattenmolekyler som exempelvis kalcium- eller magnesiumjklorid. Därför är just kalcium- och magnesiumklorid mycket aggressivare än natriumklorid på passiverbara material som rostfritt stål eller aluminium. Gropfrätning är relativt svårt att upptäcka tidigt eftersom den angripna ytan är mycket liten. Dessutom "repareras" ytan av korrosionsprodukter. Korrosionsprodukter, så som rödrost, syns tydligare eftersom dessa ofta rinner ut från gropen. Gropar kan bildas mycket nära varandra och därmed växa samman till en större grop. Exempelvis kan "rostfria" redskap eller bestick få gropfrätning om de utsatts för salt. Korrosionen syns då som små svarta gropar eller prickor på ytan samt eventuellt även rödrost.

Selektiv korrosion

Selektiv korrosion uppstår i legeringar bestående av metaller med olika potential. Potentialskillnaden gör att speciellt den oädlare delen angrips av korrosion. Detta försämrar legeringens mekaniska egenskaper. Selektiv korrosion är vanligt i bland annat mässing och gjutjärn. I mässing är det koppar som är ädlare än zink, vilket medför att det är zinken som korroderar och löses ut ur materialet.

Spaltkorrosion

Spaltkorrosion uppstår bland annat i vätskefyllda och trånga spalter med miljöer som liknar den vid gropfrätning. Korrosionen beror på koncentrationsvariationer i oxidationsmedlet och ökar med tiden på grund av att koncentrationen av väte- samt kloridjoner ökar med tiden. Spaltkorrosion uppstår inte enbart mellan olika metaller utan även mellan exempelvis en metall och en gummifläns om flänsen gör att vätska stannar kvar. Passiverbara material är känsliga för spaltkorrosion med undantag av titan som är relativt okänsligt.

Lösningen på spaltkorrosion ligger oftast på konstruktionen av produkten. Man bör undvika att vätska kan ansamlas vid exempelvis svetsfogar, nitförband, eller skarpa hörn (till exempel i fackverk). Svetsfogar kan ha höga svetsrågar eller sprickor som kan ansamla vatten, dessutom kan svetsfogen lätt skada grundmaterialets passivskikt.

Spänningskorrosion

Spänningskorrosion orsakas av kombinationen mellan en korrosiv miljö och att en yttre eller inre spänning skapar en spricka i metallens yta. Följden blir att passivskiktet skadas så att korrosion kan initieras. Dock passiveras sprickan om inte någon komplexbildare existerar i oxidationsmedlet. Denna gör att ett passivskikt inte kan återskapas. Istället växer sprickan sig djupare in i materialet. Potentialskillnad påverkar korrosionshastigheten, liksom hög temperatur. Spänningskorrosion leder till att materialets utmattningsgräns sänks.

Korrosionsskydd

Det finns egentligen bara 4 metoder att minska korrosion, nämligen:

• Bättre materialval
• Ändring av miljön
• Isolering av materialet
• Polarisering av materialet

Materialval

Det enklaste sättet att undvika korrosion är att byta material till en bättre kombination. Detta går inte alltid att göra, exempelvis på grund av ändrade mekaniska egenskaper, kemisk resistens, hållfasthet och slitage alternativt på grund av höjt pris.

Ändring av miljö

I slutna system kan en ändring av den korrosiva miljön vara effektiv. Det finns väl utvecklade metoder för att på kemisk väg binda syret i det slutna kyl- eller värmesystemet så att korrosionsprocessen avstannar. Tillsats av så kallat syrereducerande medel. I system för vatten eller ånga där vattnet kontinuerligt byts ut (matarvatten) kan natriumsulfit eller hydrazin (giftigt) tillsättas så att oxidationsmedlet förbrukas.

Tillsatserna delas in i två grupper: inhibitorer och passivatorer. Inhibitorer bromsar oxidationen eller reduktionen. Passivatorer hjälper till att passivera materialet. I system för hetvatten förekommer en kombination av båda - tannin (garvsyreämnen) förenar sig med järn i olösliga föreningar (passivering) och om vattnet samtidigt är alkaliskt bryts en del av tanninerna ned och förbrukar då syre (som inhibitor).

En alkalisk miljö i sig verkar passiverande på stål. Då blir i stället lokal korrosion (gropfrätning, korngränsfrätning, sprickkorrosion mm) ett stort problem i de fall syre ändå finnes. I sådan miljö är det bättre att undvika alkalitet. Vid utbredd korrosion kan nämligen ganska mycket material förbrukas innan korrosionen blir något problem, medan lokal korrosion i samma utsträckning långt dessförinnan lett till haveri.

Isolering av material

Offeranod på ett fartygsskrov

Ett material kan isoleras genom olika typer av ytbeläggningar. Dessa ytbeläggningar brukar delas in i katodiskt och anodiskt skyddande beläggningar. Katodiskt skyddande beläggningar skyddar metallen från korrosion. När beläggningen skadas bildas en galvanisk cell varvid beläggningen förbrukas, och inte metallen, eftersom beläggningen är oädlare. Ett vanligt exempel på katodiskt skydd är förzinkning av stål (även offeranod av zink på fartygsskrov). Anodiskt skydd bygger på att metallen beläggs av en ädlare metall som inte korroderar lika lätt. Problemet här vid repning är motsatt ovan. Vid repning korroderar då metallen man försökt skydda.

Polarisering

Polarisationsskydd av metaller används ofta för att skydda rör och ledningar, såsom pipelines eller vattenrör i stål. Materialet kopplas då till en strömkällas minuspol och är därmed kopplad som katod. Detta åskådliggörs bäst av ett polarisationsdiagram (saknas). Strömmen som flödar genom materialet polariserar materialet mot katoden vilket innebär att reduktionen ökar. Då minskar även oxidationen varvid potentialen sjunker. Anodiskt skydd finns också men bygger istället på att materialet används som anod och passiveras. Detta går bra med rostfria material, kräver mindre energi men kan passera passiveringsområdet och få gropfrätning.

Ett sätt att motverka korrosion är att använda salpetersyra som korrosionsskydd. Koncentrerad salpetersyra bildar ett skyddande oxidlager på vissa metallers yta.

Ett materials motstånd mot korrosion kallas korrosionshärdighet. Ett material med hög korrosionshärdighet kallas korrosionsbeständigt.

Icke-metaller

Som nämndes ovan angrips även andra material än metaller av korrosion. Detta på grund av att definitionen av korrosion är snarlik definitionen av nedbrytning. Därför kan viss nedbrytning av icke-metaller teoretiskt sett anses vara korrosion. Dock räknas detta oftast till andra former av nedbrytning.

Plaster

• Plaster görs av polymerer samt additiver (tillsatser) som sammanspjälkas genom polymerisation. Dessa långa kedjor har begränsad rörlighet och är mycket mindre stabila än grundpolymeren. Polymeren försöker hela tiden bli stabilare, varför plasten bryts ner med tiden.
• Oorganiska ämnen angriper de flesta plaster och gör att plasten bryts ner.
• Kombinationen fukt, vatten och värme kan starta hydrolys (kemisk nedbrytning).
• En vanlig additiv är mjukgörare. Mjukgörare tvingar plasten att vara mjuk. Plastens inre krafter tvingar med tiden ut mjukgöraren ur plasten. Om två plaster med mjukgörare har kontakt med varandra kan migrering ske, vilket försämrar plasternas egenskaper.

Keramer

Keramer är normalt sett relativt okänsliga mot korrosion. Dock blir vissa keramer korrosionsbenägna när de utsätts för frätande ämnen. En keram som är känslig mot en syra kan till exempel tåla syran vid låga temperaturer men inte vid högre temperaturer.

Trä

Trä kan teoretiskt sett anses korrodera när det bryts ner av svampar (röta). Svampangrepp kräver en viss luftfuktighet, ett visst temperaturintervall, tillgång till luft samt tillgång till näringsämnen.

Frätande ämnen

Vanligast bland frätande ämnen är syror och baser. Syror avger vätejoner, medan alkalier suger åt sig vätejoner. Dock finns ämnen så som brom och fosfor, vilka är starkt frätande men reagerar på ett helt annat sätt än ovanstående. Ett ämne klassificeras som frätande om det reagerar med huden. Antingen frätande eller starkt frätande.

Några ämnen som klassificeras som frätande eller starkt frätande:

• Syror: Salpetersyra, Saltsyra, Svavelsyra, Vätejodid (Jodvätesyra)
• Alkalier (Baser): Ammoniak (ammoniumhydroxid), Kalciumhydroxid, Natriumhydroxid, Kaliumhydroxid
• Övriga: Brom, Fosfor, Järnklorid, Väteperoxid

Varningssymboler för frätande ämne

Se även

• Korrosionspotential
• Lista över baser
• Lista över syror
• Polarisationsdiagram
• Standardpotential
• Korrosivitetsklass

Referenser

• Andersson, Sonesson, Tullberg (1994), gymnasiekemi2, Liber Utbildning AB: Stockholm
• Borén, Hellström, Lif, Lillieborg, Lindh och Moll (1984) Kemi 2 för gymnasieskolan, Esselte Studium AB: Stockholm
• Callister (1997), Materals Science and Engineering - An Introduction, John Wiley & Sons, Inc: USA
• Mattsson (1992), Elektrokemi och korrosionslära, Korrosionsinstitutet: Stockholm
• Mattson, Nyborg, Nylund och Olefjord (1998), Materialteknik-Korrosion, Inst. för Metalliska Konstruktionsmaterial, Chalmers Tekniska Högskola: Göteborg
• Olefjord (1994), Korrosion, Chalmers Tekniska Högskola: Göteborg

Externa länkar

• Wikimedia Commons har media som rör Korrosion.
  Bilder & media
• Industriforskningsorganisationen KIMAB (f.d. Korrosionsinstitutet)