Co to jest korozja galwaniczna?

Co to jest korozja galwaniczna?

Korozja galwaniczna to korozja przyspieszona, która występuje w przypadku dwóch różnych metale są w kontakcie elektrycznym w obecności elektrolitu — zwykle wody zawierającej rozpuszczone sole. Połączenie to tworzy ogniwo galwaniczne, w efekcie małą baterię, w której jeden metal ulega korozji szybciej niż sam, podczas gdy drugi jest chroniony. (TWI)

Różne potencjały elektrod w rzeczywistym środowisku napędzają prąd galwaniczny. W tym artykule skupiono się na parach różnych metali. Pojedynczy metal może również wytworzyć lokalne obszary anodowe i katodowe w wyniku różnic w dostępie tlenu lub stanie powierzchni; użycie jednego metalu nie wyklucza zatem innej korozji elektrochemicznej.

Zjawisko to jest czasami nazywane korozją bimetaliczną lub korozją kontaktową. Jest to jedna z najczęstszych przyczyn przedwczesnego starzenia się konstrukcji zewnętrznych, szczególnie w infrastrukturze, w której łączone są różne metale: balustrady, słupy, elementy złączne, połączenia kablowe i oprawy oświetleniowe. Podstępną częścią jest to, że każdy metal może być sam w sobie doskonale odpowiedni – problem stwarza kombinacja. Śruba ze stali nierdzewnej i część aluminiowa działają dobrze osobno, ale razem w wilgotnym powietrzu obciążonym solą stają się ogniwem korozji.

Jak zachodzi korozja galwaniczna?

Aby zrozumieć mechanizm, najłatwiej jest prześledzić, co dzieje się w komórce. Cztery rzeczy zachodzą jednocześnie i są od siebie zależne:

• Utlenianie zachodzi na anodzie. Mniej szlachetny metal uwalnia elektrony i przechodzi do roztworu w postaci jonów. Odpowiednio dla aluminium i żelaza: Al → Al³⁺ + 3e⁻ i Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. To tutaj faktycznie dochodzi do utraty materiału.
• Elektrony przemieszczają się przez kontakt metaliczny od anody do katody. Bez przewodzącego połączenia między metalami nie ma ścieżki dla elektronów ani komórki.
• Redukcja zachodzi na katodzie. W obojętnej, napowietrzonej wodzie następuje redukcja rozpuszczonego tlenu: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. Katoda zużywa elektrony uwalniane przez anodę, ale sam metal katody nie ulega rozkładowi.
• Jony zamykają obwód przez elektrolit. Jony dodatnie i ujemne poruszają się w cieczy i zamykają obwód. To tutaj pojawia się wilgoć i sól.

Płynący prąd nazywa się prądem korozyjnymi jest to bezpośrednia miara szybkości rozpadu anody. Tym, co napędza prąd, jest różnica potencjałów pomiędzy metalami — różne tendencje do uwalniania elektronów. Podobnie jak napięcie w akumulatorze: im większa różnica, tym silniej ogniwo napędza własną korozję.

Trzy warunki w praktyce

Cały mechanizm można streścić w trzech warunkach, które muszą być spełnione jednocześnie. Jest to również klucz do zapobiegania temu: usuń jakikolwiek pojedynczy warunek, a komórka nie będzie mogła się uformować.

Szereg galwaniczny

Który metal stanie się anodą, a który katodą, zależy od ich położenia w szereg galwaniczny — ranking metali według ich szlachetności w danym elektrolicie, zwykle w wodzie morskiej. Szlachetniejszy metal (wyżej) staje się katodą i jest chroniony. Mniej szlachetna (poniżej) staje się anodą i jest poświęcana.

Powyższa kolejność jest uproszczona. Rzeczywista pozycja zależy od stopu, temperatury, zawartości tlenu i folii pasywnej. Jeden ważny szczegół: stal nierdzewna jest szlachetna tylko tak długo jak jego pasywna warstwa tlenkowa jest nienaruszona. W szczelinie pozbawionej tlenu, gdzie warstwa pasywna nie może się odtworzyć, ta sama stal nierdzewna może stać się znacznie mniej szlachetna (aktywna) i zachowywać się zupełnie inaczej. Nie należy zatem mylić szeregu galwanicznego (mierzonego w prawdziwym elektrolicie) z szeregiem czysto elektrochemicznym (EMF) o standardowych potencjałach, który nie uwzględnia pasywacji.

Które metale korodują jako pierwsze?

Zawsze tak jest mniej szlachetne metal w parze, która jest poświęcona. W praktyce oznacza to korozję aluminium i cynku w połączeniu ze stalą nierdzewną lub miedzią, ponieważ te ostatnie są szlachetniejsze. Magnez jest tak zasadowy, że poświęca się go niemal przeciwko wszystkiemu – jest to właściwość celowo wykorzystywana w anodach protektorowych (więcej na ten temat poniżej). Chodzi o to, że metal sam w sobie nie jest „podatny na korozję”; to jest jego stanowisko w stosunku do innego metalu to decyduje.

Dlaczego słona woda i środowiska przybrzeżne przyspieszają korozję

Czysta woda słabo przewodzi prąd. Gdy tylko zawiera rozpuszczone sole – przede wszystkim chlorki z soli morskiej i drogowej – jego przewodność gwałtownie wzrasta. Lepsza przewodność oznacza wyższy prąd korozji, co oznacza szybsze uszkodzenie anody. To pierwszy i najważniejszy efekt.

Drugi efekt jest co najmniej równie ważny: chlorki niszczą warstwy pasywne. Metale takie jak aluminium i stal nierdzewna są zwykle chronione cienką, samonaprawiającą się warstwą tlenku. Jony chlorkowe penetrują tę warstwę lokalnie i inicjują wżery — ataki zlokalizowane, które wnikały w materiał. W ogniwie galwanicznym te dwa efekty wzmacniają się wzajemnie.

Środowiska przybrzeżne, portowe, morskie i drogowe narażone na działanie soli mogą zwiększać ryzyko korozji galwanicznej w wyniku większego obciążenia solą, dłuższych okresów wilgoci oraz powtarzających się cykli temperatury i wilgotności. Obecność i przewodność elektrolitu różnią się w zależności od wilgotności, stężenia soli, temperatury, drenażu i suszenia; nie zawsze jest obecny lub tak samo przewodzący. Szybkość korozji zależy również od kombinacji materiałów, stopu, stosunku powierzchni anody do katody, geometrii złącza i rzeczywistego narażenia. W normie ISO 12944-2:1998 zastosowano C5-M w przypadku bardzo wysokiej korozyjności atmosfery morskiej, natomiast w normie ISO 12944-2:2017 zastosowano C5 i CX. Kategorie opisują korozyjność środowisk atmosferycznych w zakresie ochrony antykorozyjnej konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich; nie są to klasy opraw oświetleniowych, certyfikaty produktów ani metody badań. Przeczytaj więcej o znaczeniu oznaczeń i dokumentacji wymaganej w IP66, IK10 i C5-M. (ISO 12944-2:2017)

Stosunek powierzchni — mała anoda, duża katoda

Jednym z najbardziej źle rozumianych czynników jest geometria. To nie tylko który metale się spotykają, ale jak duże są ich powierzchnie względem siebie. Prąd korozyjny napędzający katodę musi być pochłaniany przez anodę. Jeśli anoda jest mała, cały prąd koncentruje się na małym obszarze – gęstość prądu staje się duża i materiał jest tam bardzo szybko zużywany.

Mała odsłonięta anoda połączona z dużą katodą może doświadczać dużej gęstości prądu korozyjnego i skoncentrowanej utraty materiału. Większa anoda w stosunku do katody jest często bardziej korzystna, ale nie gwarantuje powolnego lub powierzchownego ataku. Elektrolit, pasywność, dostęp tlenu i geometria stawów wpływają na wynik.

Daje to prostą zasadę projektowania: jeśli trzeba połączyć różne metale, niech łączniki (małe części) będą szlachetniejszy metal. Nierdzewne śruby w aluminiowej konstrukcji są łatwe w obsłudze — mała katoda ogranicza tę szybkość. Natomiast aluminiowe śruby w konstrukcji nierdzewnej to klasyczny błąd konstrukcyjny, bo mała anoda szybko się zużywa.

Korozja galwaniczna w oświetleniu ulicznym i infrastrukturze

Infrastruktura zewnętrzna jest pełna kombinacji metali, a co za tym idzie, ogniw galwanicznych. Słupy oświetleniowe i oprawy oświetleniowe znajdują się na zewnątrz przez całą dobę, przez cały rok, często dokładnie w środowiskach przybrzeżnych i przydrożnych, gdzie występuje sól. Niektóre typowe punkty ryzyka:

• Elementy złączne: nierdzewne śruby i wkręty w aluminiowych obudowach lub aluminiowych słupach — najczęstsza kombinacja ze wszystkich i stałe źródło lokalnej korozji wokół mocowań.
• Połączenia słupa z podstawą i drzwiczkami rewizyjnymi: różne metale w drzwiach słupów, urządzeniach uziemiających i mocowaniach, w których gromadzi się deszcz i sól drogowa.
• Połączenia kablowe: Kabel miedziany podłączony bezpośrednio do aluminium (złącza Al/Cu) jest znany z korozji galwanicznej połączonej z osadzaniem się tlenków. Pogarsza styk, zwiększa rezystancję i może prowadzić do przegrzania i przestojów.
• Porty, mosty, przemysł i infrastruktura morska: środowiska ze stałym obciążeniem solą, gdzie każde przejście metalu jest ogniwem potencjalnym.

Łączy je to, że korozja rzadko pojawia się na środku równej powierzchni, ale właśnie w przejściach – gdzie spotykają się dwa materiały i często kieszeń wilgoci. To także miejsce, w którym oprawa oświetleniowa lub słup zazwyczaj zaczyna jako pierwsza pokazywać swój wiek. Więcej na temat podstawowych mechanizmów w Dlaczego obudowy opraw oświetleniowych korodują.

Aluminium kontra stal nierdzewna

Stal nierdzewna w stanie pasywnym jest wyraźnie szlachetniejsza od aluminium. Dlatego aluminium staje się anodą i jest poświęcane. Ta kombinacja jest niezwykle powszechna — łączniki ze stali nierdzewnej w konstrukcjach aluminiowych — i działa całkiem nieźle, o ile stal nierdzewna (katoda) jest mała w porównaniu z aluminium. Jednakże w środowisku solnym atak wokół śrub przyspiesza, a dla zapewnienia długotrwałej trwałości konieczna jest izolacja lub uszczelnienie.

Aluminium kontra stal ocynkowana

Stal ocynkowana ma powierzchnię cynku, który jest mniej szlachetny niż aluminium. Dlatego początkowo połączenie jest stosunkowo łagodne: cynk jest materiałem ochronnym i najpierw koroduje, chroniąc zarówno stal, jak i aluminium. Ryzyko pojawia się później – po zużyciu warstwy cynku odsłonięta zostaje tylko stal, a stal jest szlachetniejsza od aluminium. Następnie sytuacja się odwraca i aluminium zaczyna być poświęcane. Zatem połączenie to jest lepsze, niż wielu przypuszcza w perspektywie krótkoterminowej, ale nadal powinno być monitorowane w perspektywie długoterminowej.

Aluminium kontra miedź

Miedź jest znacznie szlachetniejsza od aluminium, a różnica potencjałów jest duża. To czyni tę kombinację jedną z najbardziej agresywnych w praktyce elektrotechniki. Aluminium połączone bezpośrednio z miedzią — szczególnie w zewnętrznych połączeniach elektrycznych — szybko koroduje, a atak często łączy się z tlenkiem izolującym, który pogarsza styk elektryczny. Należy zatem unikać bezpośrednich połączeń Al/Cu lub stosować specjalne przejścia i masy spoinowe.

Jak zapobiega się korozji galwanicznej

Ponieważ korozja galwaniczna wymaga trzech warunków jednocześnie, złamanie tylko jednego z nich wystarczy, aby zatrzymać proces. Daje to kilka możliwych strategii, które często są łączone:

Anody protektorowe zasługują na własny komentarz, ponieważ zasada jest tak jasna. Na łodziach, w podgrzewaczach wody i na morskich konstrukcjach stalowych montuje się bloki cynku, aluminium lub magnezu. Celowo stają się one najbardziej anodową powierzchnią w systemie i są poświęcane, podczas gdy kadłub, śmigło lub zbiornik są chronione. Anoda jest wymieniana okresowo – jest to część eksploatacyjna. Jest to korozja galwaniczna obrócona na korzyść.

Dlaczego materiały elektroizolacyjne eliminują korozję galwaniczną

Izolujące elektrycznie włókno szklane SMC nie pełni roli elektrody w połączeniu galwanicznym. Kompozyty przewodzące, w tym kompozyty z włókna węglowego, mogą łączyć się galwanicznie z metalami. Metalowe złączki w obudowie SMC nadal wymagają własnej oceny kompatybilności. (TWI)

Całkowita izolacja elektryczna przerywa obwód galwaniczny, gdy pozostaje on nienaruszony. Podkładki, tuleje i powłoki muszą być zaprojektowane i sprawdzone w taki sposób, aby żadne inne przewodzące połączenie ich nie ominęło. Obudowa izolacyjna usuwa obudowę z pary, ale nie chroni automatycznie wszystkich metalowych elementów zespołu.

Powszechne błędne przekonania

• „Stal nierdzewna nigdy nie rdzewieje”. Stal nierdzewna może ulegać korozji wżerowej i szczelinowej w środowisku chlorkowym, a jako szlachetna katoda może również przyspieszać korozję sąsiadujących, mniej szlachetnych metali.
• „Aluminium nie rdzewieje, więc nie koroduje.” Aluminium nie tworzy rdzy (tlenku żelaza), ale koroduje — tworzy tlenek glinu i ulega wżerom, szczególnie galwanicznym i w soli.
• „Korozja galwaniczna jest tym samym, co zwykła rdza”. Nie. Rdza to utlenianie żelaza. Korozja galwaniczna to mechanizm, który może wpływać na metale, które nie rdzewieją.
• „Liczy się tylko jakość metalu”. Kombinacja i geometria (stosunek powierzchni) są co najmniej tak samo ważne jak jakość pojedynczego metalu.
• „Farba rozwiązuje wszystko.” Wada powłoki po stronie anodowej może spowodować pozostawienie małej odsłoniętej anody połączonej z dużą katodą i skoncentrowanie ataku. Umiejscowienie powłoki, ciągłość i izolację elektryczną należy ocenić łącznie. (TWI)

Podsumowanie

Korozja galwaniczna nie jest wadą materiałową, ale przewidywalnym procesem elektrochemicznym. Dzieje się tak, gdy dwa różne metale są elektrycznie połączone we wspólnym elektrolicie i poświęca się metal mniej szlachetny. Sól i wilgoć sprawiają, że jest szybszy, geometria określa, gdzie i jak mocno uderza, a zawsze można temu zapobiec, łamiąc jeden z trzech warunków.

Często zadawane pytania

Źródła i dalsza lektura

• TWI — Co to jest korozja galwaniczna i jak można jej zapobiegać?
• TWI — Nowatorskie powłoki elementów złącznych przeciw korozji w połączeniach różnoimiennych
• ISO 12944-2:2017 — Farby i lakiery — Ochrona antykorozyjna konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich — Część 2: Klasyfikacja środowisk