Hva er galvanisk korrosjon?

Hva er galvanisk korrosjon?

Galvanisk korrosjon er den påskyndede korrosjonen som oppstår når to ulike metaller står i elektrisk kontakt med hverandre i nærvær av en elektrolytt — vanligvis vann som inneholder løste salter. Kombinasjonen danner en galvanisk celle, altså i praksis et lite batteri, der den ene metallen tvinges til å korrodere raskere enn den ville gjort alene, mens den andre beskyttes. (TWI)

Ulike elektrodepotensialer i det aktuelle miljøet driver den galvaniske strømmen. Artikkelen handler særlig om par av ulike metaller. Også samme metall kan få lokale anodiske og katodiske områder ved ulik oksygentilgang eller overflatetilstand; ett materiale utelukker derfor ikke annen elektrokjemisk korrosjon.

Fenomenet kalles noen ganger bimetallisk korrosjon eller kontaktkorrosjon. Det er en av de vanligste årsakene til at utendørskonstruksjoner aldres for tidlig, spesielt innen infrastruktur der ulike metaller ofte sitter sammen: rekkverk, master, fester, kabeltilkoblinger og armaturer. Det lumske er at hvert metall kan være helt riktig valgt hver for seg — det er kombinasjonen som skaper problemet. En rustfri skrue og en aluminiumsdel fungerer hver for seg utmerket, men sammen i saltfuktig luft blir de en korrosjonscelle.

Hvordan oppstår galvanisk korrosjon?

For å forstå mekanismen er det enklest å følge hva som skjer i cellen. Fire ting skjer samtidig, og de forutsætter hverandre:

• Ved anoden skjer oksidasjon. Den mindre edle metallen avgir elektroner og går i løsning som ioner. For henholdsvis aluminium og jern kan det skrives: Al → Al³⁺ + 3e⁻ og Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Det er her materialet faktisk tapes.
• Elektronene vandrer gjennom den metalliske kontakten fra anoden til katoden. Uten en ledende forbindelse mellom metallene finnes ingen vei for elektronene, og ingen celle.
• Ved katoden skjer reduksjon. I nøytralt, oksygenrikt vann reduseres løst oksygen: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. Katoden forbruker elektronene anoden avgir, men selve katodemetallen brytes ikke ned.
• Ionene slutter kretsen gjennom elektrolytten. Positive og negative ioner beveger seg i væsken og gjør kretsen komplett. Her kommer fukten og saltet inn.

Strømmen som flyter kalles korrosjonsstrøm, og den er et direkte mål på hvor raskt anoden brytes ned. Det som driver strømmen er potensialforskjellen mellom metallene — deres ulike tilbøyelighet til å avgi elektroner. Akkurat som spenningen i et batteri: jo større forskjell, desto kraftigere driver cellen sin egen korrosjon.

De tre vilkårene i praksis

Hele mekanismen kan oppsummeres i tre vilkår som må være oppfylt samtidig. Det er også nøkkelen til å forebygge den: fjerner man ett eneste av vilkårene, kan cellen ikke dannes.

Den galvaniske spenningsrekka – forenklet tabell over metaller

Hvilken metall som blir anode og hvilken som blir katode avgjøres av deres plass i den galvaniske spenningsrekken — en rangering av metaller etter hvor edle de er i en gitt elektrolytt, oftest havvann. Den edlere metallen (høyere opp) blir katode og beskyttes. Den mindre edle (lenger ned) blir anode og ofres.

Rekkefølgen ovenfor er forenklet. Den virkelige plasseringen avhenger av legering, temperatur, oksygeninnhold og passivsjikt. En viktig detalj: rustfritt stål er edelt så lenge dets passive oksidsjikt er intakt. I en oksygenfattig spalte, der passivsjiktet ikke kan gjendannes, kan samme rustfrie stål bli betydelig mindre edelt (aktivt) og oppføre seg helt annerledes. Den galvaniske rekken (målt i virkelig elektrolytt) skal derfor ikke forveksles med den rene elektrokjemiske spenningsrekken (standardpotensialer), som ikke tar hensyn til passivering.

Hvilke metaller korroderer først?

Det er alltid den mindre edle metallen i paret som ofres. I praksis innebærer det at aluminium og sink korroderer når de kobles til rustfritt stål eller kobber, siden de sistnevnte er edlere. Magnesium er så uedelt at det ofres mot nesten alt — en egenskap som utnyttes bevisst i offeranoder (mer om det lenger ned). Poenget er at et metall ikke er "korrosjonstilbøyelig" i seg selv; det er dets plassering relativt det andre metallet som avgjør.

Hvorfor saltvann og kystmiljø akselererer korrosjonen

Rent vann leder strøm dårlig. Så snart det inneholder løste salter — fremfor alt klorider fra havsalt og veisalt — øker ledningsevnen dramatisk. Bedre ledningsevne betyr høyere korrosjonsstrøm, som betyr raskere nedbrytning av anoden. Det er den første og viktigste effekten.

Den andre effekten er minst like viktig: klorider bryter ned passive sjikt. Metaller som aluminium og rustfritt stål beskyttes normalt av et tynt, selvhelende oksidsjikt. Kloridioner trenger gjennom dette sjiktet punktvis og starter gropkorrosjon — lokale angrep som borer seg ned i materialet. I en galvanisk celle virker de to effektene sammen og forsterker hverandre.

Kyst- og havnemiljøer samt marine og veisaltede miljøer kan øke risikoen for galvanisk korrosjon gjennom høyere saltbelastning, lengre våttid og gjentatte temperatur- og fuktvariasjoner. Elektrolyttens tilstedeværelse og ledningsevne varierer blant annet med fukt, saltkonsentrasjon, temperatur, drenering og uttørking; den er ikke alltid til stede eller like ledende. Korrosjonshastigheten avhenger også av materialkombinasjon, legering, forholdet mellom anode- og katodeareal, skjøtgeometri og faktisk eksponering.

ISO 12944-2:1998 brukte C5-M for svært høy marin atmosfærisk korrosivitet, mens ISO 12944-2:2017 bruker C5 og CX. Kategoriene beskriver atmosfæriske miljøers korrosivitet innen korrosjonsbeskyttelse av stålkonstruksjoner med beskyttende malingssystemer; de er ikke armaturklasser, produktsertifiseringer eller prøvingsmetoder. Les mer om betegnelsene og nødvendig dokumentasjon i IP66, IK10 og C5-M. (ISO 12944-2:2017)

Overflateforholdet — liten anode, stor katode

En av de mest misforståtte faktorene er geometrien. Det er ikke bare hvilke metaller som møtes, men hvor store overflatene deres er i forhold til hverandre. Korrosjonsstrømmen som katoden driver må tas opp av anoden. Er anoden liten, konsentreres hele strømmen på en liten overflate — strømtettheten blir høy og materialet korroderer svært raskt nettopp der.

En liten eksponert anode koblet til en stor katode kan få høy korrosjonsstrømtetthet og konsentrert materialtap. En større anode i forhold til katoden er ofte gunstigere, men garanterer ikke langsomt eller overflatisk angrep. Elektrolytt, passivitet, oksygentilgang og skjøtgeometri påvirker resultatet.

Det gir en enkel konstruksjonsregel: om ulike metaller må kombineres, la festeelementene (de små delene) være av det edlere metallet. Rustfrie skruer i en aluminiumskonstruksjon er håndterbart — den lille katoden begrenser takten. Aluminiumsskruer i en rustfri konstruksjon er derimot en klassisk feilkonstruksjon, siden den lille anoden korroderer raskt.

Galvanisk korrosjon i gatebelysning og infrastruktur

Utendørsinfrastruktur er full av metallkombinasjoner, og derfor også av galvaniske celler. Belysningsmaster og armaturer står ute døgnet rundt, hele året, ofte nettopp i de kyst- og veinære miljøene der salt er til stede. Noen typiske risikopunkter:

• Festeelementer: rustfrie bolter og skruer i aluminiumshus eller aluminiumsmaster — den vanligste kombinasjonen av alle, og en stadig kilde til lokal korrosjon rundt innfestingene.
• Mast mot fundament og luker: ulike metaller i masteluker, jordingsutstyr og innfestinger der regn og veisalt samler seg.
• Kabeltilkoblinger: kobberkabel koblet direkte til aluminium (Al/Cu-skjøter) er beryktet for galvanisk korrosjon i kombinasjon med oksidoppbygging. Det forringer kontakten, øker resistansen og kan føre til varmeutvikling og avbrudd.
• Havner, broer, industri og marin infrastruktur: miljøer med stadig saltbelastning der hver metallovergang er en potensiell celle.

Felles for disse er at korrosjonen sjelden oppstår midt på en jevn overflate, men nettopp i overgangene — der to materialer og ofte en fuktlomme møtes. Det er også der en armatur eller mast oftest begynner å aldres synlig først. Mer om de bakenforliggende mekanismene i Hvorfor korroderer armaturhus?

Aluminium mot rustfritt stål

Rustfritt stål er i passiv tilstand klart edlere enn aluminium. Aluminiumet blir derfor anode og ofres. Kombinasjonen er ekstremt vanlig — rustfrie festeelementer i aluminiumskonstruksjoner — og fungerer nokså greit så lenge det rustfrie (katoden) er lite i forhold til aluminiumet. I saltmiljø akselererer imidlertid angrepet rundt skruene, og isolasjon eller tetning kreves for langsiktig holdbarhet.

Aluminium mot galvanisert stål

Galvanisert stål har en overflate av sink, som er mindre edel enn aluminium. Innledningsvis er kombinasjonen derfor relativt skånsom: sinken er oppofrende og korroderer først, noe som beskytter både stålet og aluminiumet. Risikoen oppstår senere — når sinksjiktet først er oppbrukt, eksponeres bare stålet, og stål er edlere enn aluminium. Da snur situasjonen og aluminiumet begynner å ofres. Kombinasjonen er altså bedre enn mange tror på kort sikt, men bør likevel overvåkes på lang sikt.

Aluminium mot kobber

Kobber er betydelig edlere enn aluminium, og potensialforskjellen er stor. Det gjør kombinasjonen til en av de mest aggressive i praktisk elektroteknikk. Aluminium som kobles direkte til kobber — spesielt i elektriske forbindelser utendørs — korroderer raskt, og angrepet kombineres ofte med en isolerende oksid som forringer den elektriske kontakten. Direkte Al/Cu-koblinger skal derfor unngås eller utføres med spesielle overganger og kontaktmidler.

Slik forebygges galvanisk korrosjon

Ettersom galvanisk korrosjon krever tre vilkår samtidig, er det nok å bryte ett av dem for å stoppe prosessen. Det gir flere mulige strategier, som ofte kombineres:

Offeranoder fortjener en egen kommentar, siden prinsippet er så tydelig. På båter, i varmtvannsberedere og på marine stålkonstruksjoner monteres blokker av sink, aluminium eller magnesium. Disse blir bevisst den mest anodiske overflaten i systemet og ofres, mens skrog, propell eller tank beskyttes. Anoden byttes med jevne mellomrom — den er en forbruksdel. Det er galvanisk korrosjon vendt til sin fordel.

Hvorfor elektrisk isolerende materiale eliminerer galvanisk korrosjon

Elektrisk isolerende glassfiber-SMC deltar ikke som elektrode i et galvanisk par. Ledende kompositter, for eksempel med karbonfiber, kan derimot kobles galvanisk til metaller. Metalliske festeelementer på et SMC-hus må fortsatt vurderes separat. (TWI)

Fullstendig elektrisk isolasjon bryter den galvaniske kretsen så lenge den er intakt. Skiver, hylser og belegg må utformes og kontrolleres slik at ingen annen ledende forbindelse omgår dem. Et isolerende hus fjerner huset fra paret, men beskytter ikke automatisk alle metalldelene.

Vanlige misforståelser

• "Rustfritt ruster aldri." Rustfritt kan rammes av grop- og spaltkorrosjon i kloridmiljø, og som edel katode kan det dessuten påskynde korrosjonen hos tilliggende mindre edle metaller.
• "Aluminium ruster ikke, altså korroderer det ikke." Aluminium danner ikke rust (som er jernoksid), men det korroderer — det danner aluminiumoksid og rammes av gropkorrosjon, særlig galvanisk og i salt.
• "Galvanisk korrosjon er det samme som vanlig rust." Nei. Rust er jernets oksidasjon. Galvanisk korrosjon er en mekanisme som kan ramme også metaller som ikke ruster.
• "Bare metallets kvalitet spiller inn." Kombinasjonen og geometrien (overflateforholdet) er minst like viktige som det enkelte metallets kvalitet.
• «Maling løser alt.» En skade i belegget på anodesiden kan etterlate en liten eksponert anode koblet til en stor katode og konsentrere angrepet. Beleggets plassering, kontinuitet og elektrisk isolasjon må vurderes samlet. (TWI)

Sammendrag

Galvanisk korrosjon er ikke en materialdefekt, men en forutsigbar elektrokjemisk prosess. Den oppstår når to ulike metaller er elektrisk forbundet i en felles elektrolytt, og den mindre edle metallen ofres. Salt og fukt gjør den raskere, geometrien avgjør hvor og hvor hardt den slår til, og den kan alltid forebygges ved å bryte ett av de tre vilkårene.

Vanlige spørsmål

Kilder og videre lesning

• TWI — What is Galvanic Corrosion and How Can it be Prevented?
• TWI — Novel Fastener Coatings for Corrosion in Dissimilar Joining
• ISO 12944-2:2017 — Paints and varnishes — Corrosion protection of steel structures by protective paint systems — Part 2: Classification of environments