Šta je galvanska korozija?

Šta je galvanska korozija?

Galvanska korozija je ubrzana korozija koja nastaje kada dva različita metala dođu u električni kontakt u prisustvu elektrolita, obično vode sa rastvorenim solima. Kombinacija formira galvansku ćeliju, praktično malu bateriju, u kojoj jedan metal korodira brže nego samostalno, dok je drugi zaštićen. (TWI)

Različiti elektrodni potencijali u konkretnoj sredini pokreću galvansku struju. Članak se prvenstveno odnosi na parove različitih metala. I jedan metal može imati lokalne anodne i katodne oblasti zbog različitog pristupa kiseonika ili stanja površine; upotreba jednog metala zato ne isključuje druge oblike elektrohemijske korozije.

Pojava se ponekad naziva bimetalna ili kontaktna korozija. Jedan je od najčešćih uzroka prevremenog starenja spoljašnjih konstrukcija, naročito infrastrukture koja spaja različite metale: ograda, stubova, pričvršćivača, kablovskih spojeva i svetiljki. Podmuklo je to što svaki metal zasebno može biti sasvim prikladan; problem stvara kombinacija. Nerđajući vijak i aluminijumski deo dobro rade zasebno, ali zajedno u vlažnom slanom vazduhu postaju koroziona ćelija.

Kako nastaje galvanska korozija?

Mehanizam je najlakše razumeti prateći događaje u ćeliji. Četiri procesa odvijaju se istovremeno i međusobno zavise:

• Oksidacija se odvija na anodi. Manje plemenit metal oslobađa elektrone i prelazi u rastvor kao joni. Za aluminijum, odnosno gvožđe: Al → Al³⁺ + 3e⁻ i Fe → Fe²⁺ + 2e⁻. Upravo na tom mestu dolazi do gubitka materijala.
• Elektroni prolaze kroz metalni kontakt od anode ka katodi. Bez provodne veze među metalima nema puta elektrona niti ćelije.
• Redukcija se odvija na katodi. U neutralnoj vodi sa rastvorenim vazduhom dolazi do redukcije rastvorenog kiseonika: O₂ + 2H₂O + 4e⁻ → 4OH⁻. Katoda troši elektrone koje anoda oslobađa, ali se sam metal katode ne razgrađuje.
• Joni zatvaraju strujno kolo kroz elektrolit. Pozitivni i negativni joni kreću se kroz tečnost i zatvaraju strujno kolo. Tu ulogu imaju vlaga i so.

Struja koja teče naziva se struja korozije, koja je direktna mera brzine razgradnje anode. Struju pokreće razlika potencijala između metala, odnosno njihove različite sklonosti otpuštanju elektrona. Kao napon baterije: veća razlika znači da ćelija snažnije pokreće sopstvenu koroziju.

Tri uslova u praksi

Ceo mehanizam može se svesti na tri uslova koji moraju biti istovremeno ispunjeni. To je i ključ sprečavanja: uklonite bilo koji uslov i ćelija ne može nastati.

Galvanski niz

Koji metal postaje anoda, a koji katoda određuje njihov položaj u galvanskom nizu — poredak metala prema plemenitosti u datom elektrolitu, obično morskoj vodi. Plemenitiji metal (više u nizu) postaje katoda i zaštićen je. Manje plemenit (niže) postaje anoda i troši se.

Gornji redosled je pojednostavljen. Stvarni položaj zavisi od legure, temperature, sadržaja kiseonika i pasivnog filma. Važan detalj: nerđajući čelik je plemenit samo dok je njegov pasivni oksidni film očuvan. U zazoru siromašnom kiseonikom, gde se film ne može obnoviti, isti nerđajući čelik može postati znatno manje plemenit (aktivan) i ponašati se potpuno drugačije. Galvanski niz meren u stvarnom elektrolitu zato ne treba mešati sa čistim elektrohemijskim (EMF) nizom standardnih potencijala, koji ne uzima u obzir pasivaciju.

Koji metali prvi korodiraju?

Uvek je to manje plemenit metal u paru koji se troši. U praksi aluminijum i cink korodiraju kada su povezani sa nerđajućim čelikom ili bakrom, jer su oni plemenitiji. Magnezijum je toliko neplemenit da se troši uz gotovo svaki drugi metal, što se namerno koristi u žrtvenim anodama (više ispod). Poenta je da metal nije „sklon koroziji” sam po sebi; presudan je njegov položaj u odnosu na drugi metal u konkretnom elektrolitu.

Zašto slana voda i priobalne sredine ubrzavaju koroziju

Čista voda slabo provodi struju. Čim sadrži rastvorene soli, pre svega hloride iz morske ili putne soli, provodljivost naglo raste. Veća provodljivost znači veću struju korozije, a time i bržu razgradnju anode. To je prvi i najvažniji efekat.

Drugi efekat je bar jednako važan: hloridi razgrađuju pasivne filmove. Metale poput aluminijuma i nerđajućeg čelika obično štiti tanak oksidni film koji se sam obnavlja. Hloridni joni lokalno probijaju taj film i pokreću tačkastu koroziju — lokalne napade koji prodiru u dubinu materijala. U galvanskoj ćeliji ova dva efekta međusobno se pojačavaju.

Priobalne, lučke, morske sredine i okruženja izložena soli sa puteva mogu povećati rizik od galvanske korozije zbog većeg taloženja soli, dužeg vlaženja i ponavljanih ciklusa temperature i vlage. Prisustvo i provodljivost elektrolita zavise od vlage, koncentracije soli, temperature, drenaže i sušenja; elektrolit nije uvek prisutan niti jednako provodljiv. Brzina korozije zavisi i od kombinacije materijala, legure, odnosa površina anode i katode, geometrije spoja i stvarne izloženosti. ISO 12944-2:1998 koristio je C5-M za vrlo visoku morsku atmosfersku korozivnost, dok ISO 12944-2:2017 koristi C5 i CX. Kategorije opisuju korozivnost atmosferskih sredina u okviru zaštite čeličnih konstrukcija zaštitnim sistemima premaza; nisu klase svetiljki, sertifikati proizvoda niti metode ispitivanja. Više o značenju oznaka i potrebnoj dokumentaciji pročitajte u IP66, IK10 i C5-M. (ISO 12944-2:2017)

Odnos površina — mala anoda, velika katoda

Jedan od najčešće pogrešno shvaćenih činilaca je geometrija. Nije važno samo koji se metali dodiruju, već i kolike su njihove površine jedna u odnosu na drugu. Kada je anoda mala u odnosu na katodu, struja korozije može se koncentrisati na maloj površini i izazvati intenzivan lokalni gubitak materijala.

Mala izložena anoda povezana sa velikom katodom može imati visoku gustinu struje korozije i koncentrisan gubitak materijala. Veća anoda u odnosu na katodu često je povoljnija, ali ne garantuje spor ili površan napad. Ishod zavisi i od elektrolita, pasivnosti, kiseonika i geometrije spoja.

Iz toga sledi jednostavno projektantsko pravilo: ako se različiti metali moraju kombinovati, pričvršćivači (mali delovi) treba da budu od plemenitijeg metala. Nerđajući vijci u aluminijumskoj konstrukciji mogu se kontrolisati: mala katoda ograničava brzinu. Aluminijumski vijci u nerđajućoj konstrukciji, međutim, klasična su projektantska greška jer se mala anoda brzo troši.

Galvanska korozija u uličnoj rasveti i infrastrukturi

Spoljašnja infrastruktura puna je kombinacija metala, a time i galvanskih ćelija. Stubovi i svetiljke su napolju neprekidno tokom cele godine, često upravo u priobalnim i putnim sredinama gde ima soli. Neka tipična rizična mesta:

• Pričvršćivači: zavrtnji od nerđajućeg čelika u aluminijumskim kućištima ili stubovima mogu izazvati lokalnu galvansku koroziju ako nisu odgovarajuće izolovani ili zaštićeni.
• Spoj stuba sa osnovom i servisni otvori: različiti metali u vratima stubova, elementima uzemljenja i pričvršćenjima gde se skupljaju kiša i so sa puta.
• Kablovski priključci: bakarni kabl direktno povezan sa aluminijumom (Al/Cu spojevi) poznat je po galvanskoj koroziji uz nakupljanje oksida. To slabi kontakt, povećava otpor i može dovesti do zagrevanja i prekida rada.
• Luke, mostovi, industrija i morska infrastruktura: sredine sa stalnim opterećenjem solju, gde je svaki metalni prelaz potencijalna ćelija.

Zajedničko im je da korozija retko nastaje u sredini ravne površine, već baš na prelazima, gde se spajaju dva materijala i često zadržava vlaga. Tu svetiljka ili stub obično prvo pokazuju starost. Više o osnovnim mehanizmima u Zašto kućišta svetiljki korodiraju.

Aluminijum i nerđajući čelik

Nerđajući čelik u pasivnom stanju znatno je plemenitiji od aluminijuma. Aluminijum zato postaje anoda i troši se. Kombinacija je veoma česta, sa nerđajućim pričvršćivačima u aluminijumskim konstrukcijama, i funkcioniše prihvatljivo dok je nerđajući čelik (katoda) mali u odnosu na aluminijum. U slanoj sredini napad oko vijaka ipak se ubrzava, pa je za dugoročnu trajnost potrebna izolacija ili zaptivanje.

Aluminijum i pocinkovani čelik

Površina pocinkovanog čelika je cink, manje plemenit od aluminijuma. Kombinacija je zato u početku relativno povoljna: cink se žrtvuje i prvi korodira, štiteći i čelik i aluminijum. Rizik nastaje kasnije, kada se sloj cinka potroši i ostane izložen čelik, plemenitiji od aluminijuma. Tada se situacija preokreće i aluminijum počinje da se troši. Kombinacija je, dakle, kratkoročno bolja nego što mnogi pretpostavljaju, ali je ipak treba dugoročno pratiti.

Aluminijum i bakar

Bakar je znatno plemenitiji od aluminijuma, pa je razlika potencijala velika. Zato je ova kombinacija jedna od najagresivnijih u praktičnoj elektrotehnici. Aluminijum direktno povezan sa bakrom, naročito u spoljašnjim električnim spojevima, brzo korodira, često uz stvaranje izolacionog oksida koji pogoršava električni kontakt. Direktne Al/Cu spojeve zato treba izbegavati ili izvesti posebnim prelaznim elementima i kontaktnim pastama.

Sprečavanje galvanske korozije

Pošto galvanska korozija zahteva istovremeno ispunjenje tri uslova, dovoljno je prekinuti samo jedan da bi se proces zaustavio. To omogućava više strategija, koje se često kombinuju:

Žrtvene anode zaslužuju poseban osvrt jer je princip veoma jasan. Na plovilima, u bojlerima i na morskim čeličnim konstrukcijama ugrađuju se blokovi cinka, aluminijuma ili magnezijuma. Oni namerno postaju najanodnija površina sistema i troše se, dok štite trup, propeler ili rezervoar. Anoda se periodično menja jer je potrošni deo. To je galvanska korozija iskorišćena u korisnu svrhu.

Zašto električno izolacioni materijali eliminišu galvansku koroziju

Zavisi od kompozita. Električno izolacioni SMC sa staklenim vlaknima ne deluje kao elektroda galvanskog para. Provodljivi kompoziti, uključujući ugljenična vlakna, mogu formirati galvanski par sa metalima. Metalni pričvršćivači na SMC kućištu i dalje zahtevaju zasebnu procenu kompatibilnosti. (TWI)

Potpuna električna izolacija prekida galvansko strujno kolo dok ostaje očuvana. Podloške, čaure i premazi moraju sprečiti i druge provodne veze koje bi ih zaobišle. Izolaciono kućište uklanja kućište iz para, ali ne štiti automatski sve metalne delove sklopa.

Česte zablude

• „Nerđajući čelik nikada ne rđa.” Nerđajući čelik može trpeti tačkastu koroziju i koroziju u zazorima u hloridnoj sredini, a kao plemenita katoda može i ubrzati koroziju susednih manje plemenitih metala.
• „Aluminijum ne rđa, pa zato ne korodira.” Aluminijum ne stvara rđu (oksid gvožđa), ali korodira: stvara aluminijum-oksid i trpi tačkastu koroziju, naročito pri galvanskom kontaktu i uz prisustvo soli.
• „Galvanska korozija je isto što i obična rđa.” Ne. Rđa je oksidacija gvožđa. Galvanska korozija je mehanizam koji može zahvatiti i metale koji ne rđaju.
• „Važan je samo kvalitet metala.” Kombinacija i geometrija (odnos površina) bar su jednako važne kao kvalitet pojedinačnog metala.
• „Boja rešava sve.” Oštećenje premaza na anodnoj strani može ostaviti malu izloženu anodu povezanu sa velikom katodom i koncentrisati napad. Položaj i kontinuitet premaza treba proceniti zajedno sa električnom izolacijom. (TWI)

Rezime

Galvanska korozija nije nedostatak materijala, već predvidljiv elektrohemijski proces. Nastaje kada su dva različita metala električno povezana u zajedničkom elektrolitu, pri čemu se manje plemenit metal troši. So i vlaga je ubrzavaju, geometrija određuje mesto i intenzitet napada, a proces se uvek može sprečiti prekidanjem jednog od tri uslova.

Često postavljana pitanja

Izvori i dodatna literatura

• 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