Hvad er galvanisk korrosion?

Hvad er galvanisk korrosion?

Galvanisk korrosion er den accelererede korrosion, der opstår, når to uens metaller er i elektrisk kontakt i nærværelse af en elektrolyt - normalt vand, der indeholder opløste salte. Kombinationen danner en galvanisk celle, i virkeligheden et lille batteri, hvor det ene metal tvinges til at korrodere hurtigere, end det ville gøre alene, mens det andet er beskyttet. (TWI)

Forskellige elektrodepotentialer i det aktuelle miljø driver galvanisk strøm. Denne artikel fokuserer på par af forskellige metaller. Et enkelt metal kan også udvikle lokale anodiske og katodiske områder gennem forskelle i oxygenadgang eller overfladetilstand; Brug af ét metal udelukker derfor ikke anden elektrokemisk korrosion.

Fænomenet kaldes undertiden bimetallisk korrosion eller kontaktkorrosion. Det er en af de mest almindelige årsager til, at udendørs strukturer ældes for tidligt, især i infrastrukturer, hvor forskellige metaller er forbundet: rækværk, pæle, fastgørelseselementer, kabelforbindelser og armaturer. Den lumske del er, at hvert metal kan være helt passende for sig selv - det er kombinationen, der skaber problemet. En rustfri bolt og en aluminiumsdel fungerer hver for sig godt alene, men sammen i saltfyldt fugtig luft bliver de til en korrosionscelle.

Hvordan opstår galvanisk korrosion?

For at forstå mekanismen er det nemmest at følge med i, hvad der sker i cellen. Fire ting opstår samtidigt, og de afhænger af hinanden:

• Oxidation sker ved anoden. Det mindre ædle metal frigiver elektroner og går i opløsning som ioner. For henholdsvis aluminium og jern: Al → Al³⁺ + 3e⁻ og Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Det er her materiale faktisk går tabt.
• Elektronerne bevæger sig gennem den metalliske kontakt fra anoden til katoden. Uden en ledende forbindelse mellem metallerne er der ingen vej for elektronerne, og ingen celle.
• Reduktion sker ved katoden. I neutralt, beluftet vand reduceres opløst oxygen: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. Katoden forbruger de elektroner, som anoden frigiver, men selve katodemetallet nedbrydes ikke.
• Ionerne lukker kredsløbet gennem elektrolytten. Positive og negative ioner bevæger sig i væsken og fuldender kredsløbet. Det er her, fugt og salt kommer ind.

Strømmen der løber kaldes korrosionsstrøm, og det er et direkte mål for, hvor hurtigt anoden nedbrydes. Det, der driver strømmen, er potentialforskel mellem metallerne - deres forskellige tendenser til at frigive elektroner. Ligesom spændingen i et batteri: Jo større forskellen er, jo stærkere driver cellen sin egen korrosion.

De tre forhold i praksis

Hele mekanismen kan opsummeres i tre betingelser, der skal opfyldes samtidigt. Dette er også nøglen til at forhindre det: fjern enhver enkelt betingelse, og cellen kan ikke dannes.

Den galvaniske serie

Hvilket metal bliver anoden, og hvilken katoden bestemmes af deres position i galvanisk serie — en rangordning af metaller efter, hvor ædle de er i en given elektrolyt, normalt havvand. Det ædlere metal (højere oppe) bliver katoden og er beskyttet. Den mindre ædle (længere nede) bliver anoden og bliver ofret.

Rækkefølgen ovenfor er forenklet. Den faktiske position afhænger af legering, temperatur, iltindhold og passiv film. En vigtig detalje: rustfrit stål er ædelt kun så længe dens passive oxidfilm er intakt. I en iltudsultet spalte, hvor den passive film ikke kan omdannes, kan det samme rustfri stål blive betydeligt mindre ædel (aktiv) og opføre sig meget forskelligt. Den galvaniske serie (målt i en rigtig elektrolyt) skal derfor ikke forveksles med den rene elektrokemiske (EMF) serie af standardpotentialer, som ikke tager højde for passivering.

Hvilke metaller korroderer først?

Det er altid mindre-ædle metal i det par, der ofres. I praksis betyder dette, at aluminium og zink korroderer, når de kobles til rustfrit stål eller kobber, da sidstnævnte er ædlere. Magnesium er så basalt, at det ofres mod næsten alt - en egenskab, der bevidst udnyttes i offeranoder (mere om det nedenfor). Pointen er, at et metal ikke er "korrosions-udsat" i sig selv; det er dens position i forhold til det andet metal der bestemmer.

Hvorfor saltvand og kystmiljøer fremskynder korrosion

Rent vand leder elektricitet dårligt. Så snart det indeholder opløste salte - frem for alt chlorider fra havsalt og vejsalt - stiger dets ledningsevne dramatisk. Bedre ledningsevne betyder en højere korrosionsstrøm, hvilket betyder hurtigere nedbrydning af anoden. Det er den første og vigtigste effekt.

Den anden effekt er mindst lige så vigtig: chlorider nedbryder passive film. Metaller som aluminium og rustfrit stål er normalt beskyttet af en tynd, selvhelbredende oxidfilm. Chloridioner trænger ind i denne film lokalt og initierer pitting — lokaliserede angreb, der borede ned i materialet. I en galvanisk celle forstærker de to effekter hinanden.

Kyst-, havne-, hav- og vejsalt-eksponerede miljøer kan øge risikoen for galvanisk korrosion gennem højere saltbelastning, længere perioder med fugt og tilbagevendende temperatur- og fugtighedscyklusser. Elektrolyttens tilstedeværelse og ledningsevne varierer med fugt, saltkoncentration, temperatur, dræning og tørring; den er ikke altid til stede eller lige ledende. Korrosionshastigheden afhænger også af materialekombinationen, legering, anode-til-katode-arealforhold, samlingsgeometri og faktisk eksponering.

ISO 12944-2:1998 brugte C5-M til meget høj marin atmosfærisk korrosivitet, mens ISO 12944-2:2017 bruger C5 og CX. Kategorierne beskriver korrosiviteten af atmosfæriske miljøer inden for korrosionsbeskyttelse af stålkonstruktioner med beskyttende malingssystemer; de er ikke armaturklasser, produktcertificeringer eller testmetoder. Læs mere om betydningen af betegnelserne og den nødvendige dokumentation i IP66, IK10 og C5-M. (ISO 12944-2:2017)

Arealforholdet — lille anode, stor katode

En af de mest misforståede faktorer er geometri. Det er ikke bare som metaller mødes, men hvor store er deres overflader i forhold til hinanden. Den korrosionsstrøm, som katoden driver, skal absorberes af anoden. Hvis anoden er lille, er hele strømmen koncentreret på et lille område - strømtætheden bliver høj, og materialet bliver spist væk meget hurtigt lige der.

En lille blotlagt anode koblet til en stor katode kan opleve høj korrosionsstrømtæthed og koncentreret materialetab. En større anode i forhold til katoden er ofte mere gunstig, men garanterer ikke langsomt eller overfladisk angreb. Elektrolyt, passivitet, oxygenadgang og ledgeometri påvirker resultatet.

Dette giver en simpel designregel: hvis uens metaller skal kombineres, lad fastgørelseselementerne (de små dele) være af ædlere metal. Rustfrie bolte i en aluminiumsstruktur er håndterbare - den lille katode begrænser hastigheden. Aluminiumsbolte i rustfri struktur er derimod en klassisk designfejl, for den lille anode bliver hurtigt ædt væk.

Galvanisk korrosion i gadebelysning og infrastruktur

Udendørs infrastruktur er fuld af metalkombinationer og derfor af galvaniske celler. Lysmaster og armaturer står udendørs døgnet rundt, året rundt, ofte i netop de kyst- og vejmiljøer, hvor salt er til stede. Nogle typiske risikopunkter:

• Fastgørelsesmidler: rustfri bolte og skruer i aluminiumshuse eller aluminiumsstænger - den mest almindelige kombination af alle og en konstant kilde til lokal korrosion omkring befæstelserne.
• Stang til bund og adgangsdøre: uens metaller i stolpedøre, jordingsanordninger og fastgørelser, hvor regn og vejsalt samles.
• Kabelforbindelser: kobberkabel forbundet direkte til aluminium (Al/Cu-samlinger) er berygtet for galvanisk korrosion kombineret med oxidopbygning. Det forringer kontakten, øger modstanden og kan føre til varme og udfald.
• Havne, broer, industri og havinfrastruktur: miljøer med konstant saltbelastning, hvor enhver metalovergang er en potentiel celle.

Fælles for disse er, at korrosion sjældent opstår midt på en jævn overflade, men netop ved overgangene - hvor to materialer og ofte en fugtlomme mødes. Det er også her, et armatur eller stang normalt begynder at vise sin alder først. Mere om de underliggende mekanismer i Hvorfor armaturhuse korroderer.

Aluminium vs rustfrit stål

Rustfrit stål i passiv tilstand er klart ædlere end aluminium. Aluminiumet bliver derfor anoden og ofres. Kombinationen er ekstremt almindelig - rustfri fastgørelseselementer i aluminiumskonstruktioner - og fungerer tåleligt, så længe det rustfrie (katoden) er lille i forhold til aluminiumet. I saltmiljøer accelererer angrebet dog omkring boltene, og isolering eller tætning er nødvendig for langtidsholdbarhed.

Aluminium vs galvaniseret stål

Galvaniseret stål har en overflade af zink, som er mindre ædel end aluminium. Til at begynde med er kombinationen derfor relativt godartet: zinken er offer og korroderer først og beskytter både stålet og aluminiumet. Risikoen opstår senere - når zinklaget er forbrugt, er kun stålet blotlagt, og stål er ædlere end aluminium. Situationen vender så, og aluminiumet begynder at blive ofret. Så kombinationen er bedre end mange antager på kort sigt, men bør stadig overvåges på lang sigt.

Aluminium vs kobber

Kobber er betydeligt ædlere end aluminium, og potentialforskellen er stor. Det gør kombinationen til en af de mest aggressive inden for praktisk elektroteknik. Aluminium forbundet direkte til kobber - især i udendørs elektriske forbindelser - korroderer hurtigt, og angrebet er ofte kombineret med en isolerende oxid, der nedbryder den elektriske kontakt. Direkte Al/Cu-forbindelser bør derfor undgås eller udføres med specielle overgange og fugemasser.

Hvordan galvanisk korrosion forhindres

Fordi galvanisk korrosion kræver tre forhold samtidigt, er det nok at bryde kun én af dem til at stoppe processen. Dette giver flere mulige strategier, som ofte kombineres:

Offeranoder fortjener en egen kommentar, fordi princippet er så klart. På både, i vandvarmere og på marine stålkonstruktioner monteres blokke af zink, aluminium eller magnesium. Disse bliver bevidst den mest anodiske overflade i systemet og ofres, mens skroget, propellen eller tanken er beskyttet. Anoden udskiftes med mellemrum - det er en forbrugsdel. Det er galvanisk korrosion vendt til fordel.

Hvorfor elektrisk isolerende materialer eliminerer galvanisk korrosion

Elektrisk isolerende glasfiber SMC fungerer ikke som en elektrode i et galvanisk par. Ledende kompositter, herunder kulfiberkompositter, kan kobles galvanisk med metaller. Metalliske fittings på et SMC-hus kræver stadig deres egen kompatibilitetsvurdering. (TWI)

Fuldstændig elektrisk isolation afbryder det galvaniske kredsløb, mens det forbliver intakt. Skiver, muffer og belægninger skal designes og kontrolleres, så ingen anden ledende forbindelse går uden om dem. Et isolerende hus fjerner huset fra parret, men beskytter ikke automatisk alle metalkomponenter i samlingen.

Almindelige misforståelser

• "Rustfrit ruster aldrig." Rustfrit stål kan lide af grubetæring og sprækkekorrosion i kloridmiljøer, og som en ædel katode kan det også accelerere korrosion af tilstødende mindre ædle metaller.
• "Aluminium ruster ikke, så det korroderer ikke." Aluminium danner ingen rust (som er jernoxid), men det korroderer - det danner aluminiumoxid og lider af pitting, især galvanisk og i salt.
• "Galvanisk korrosion er det samme som almindelig rust." Nej. Rust er oxidationen af jern. Galvanisk korrosion er en mekanisme, der kan påvirke metaller, der ikke ruster.
• "Kun kvaliteten af metallet betyder noget." Kombinationen og geometrien (arealforholdet) er mindst lige så vigtig som kvaliteten af det enkelte metal.
• "Maling løser alt." En defekt i en belægning på den anodiske side kan efterlade en lille blotlagt anode koblet til en stor katode og koncentrere angrebet. Belægningsplacering, kontinuitet og elektrisk isolering skal vurderes samlet. (TWI)

Resumé

Galvanisk korrosion er ikke en materialefejl, men en forudsigelig elektrokemisk proces. Det opstår, når to forskellige metaller er elektrisk forbundet i en fælles elektrolyt, og det mindre ædle metal ofres. Salt og fugt gør det hurtigere, geometrien bestemmer hvor og hvor hårdt det slår, og det kan altid forebygges ved at bryde en af de tre forhold.

Ofte stillede spørgsmål

Kilder og videre læsning

• TWI — Hvad er galvanisk korrosion, og hvordan kan det forebygges?
• TWI — nye befæstelsesbelægninger til korrosion ved uensartede sammenføjninger
• ISO 12944-2:2017 — Maling og lak — Korrosionsbeskyttelse af stålkonstruktioner ved hjælp af beskyttende malingssystemer — Del 2: Klassificering af miljøer