Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió

Az előadások a következő témára: "Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió"— Előadás másolata:

1 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A korrózió közismert jelenség. Alig található a környezetünkben tárgy, amelyen a korrózió hatása valamilyen formában ne lenne érzékelhető. A korrózió említése nyomán elsősorban a fémes anyagból készült használati tárgyak károsodására, nem kívánt tönkremenetelére, idő előtti elhasználódására gondolunk. A korróziós károk költségeinek nagyobb hányadát valóban a fémes anyagok elhasználódása, pótlása teszi ki, de nem hanyagolhatók el a nem fémes anyagok (műanyagok, fa, beton, tűzálló anyagok, kerámiák stb.) tönkremeneteléből származó korróziós károk sem. A korróziós károk becsült értékeként a fejlett ipari országokban, pl. a nemzeti jövedelem 5 % körüli értékét említik. A korrózióra való hajlam a szerkezeti anyag és a vele érintkező közeg (környezet) kölcsönhatásának a szükségszerű következménye. A korróziós folyamat az anyag és a korrodáló közeg közös határfelületén zajlik, miközben kémiai, elektrokémiai reakciók során korróziós termékek képződnek. Korrózió tehát az anyagnak a felületéről kiinduló, a környezet hatására bekövetkező károsodása, elváltozása, amely kémiai, és/vagy elektrokémiai folyamatok révén megy végbe.

2 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A korrózió jeleit leggyakrabban a használati tárgy, berendezés, vagy a szerkezeti anyag felületi elváltozása alapján észleljük. A korrózió során képződő termékek színe - legalábbis fémek esetén - jelentősen eltér a tiszta fém színétől. Más esetekben a berendezés, készülék, csővezeték káros elváltozása, törése, kilyukadása jelzi a károsodást. A korróziós jelenségeket különböző szempontok szerint lehet csoportosítani. A felületen észlelt eloszlás alapján megkülönböztetünk egyenletes és helyi - a felület kisebb részeire korlátozódó - korróziót. Az egyenletes korrózió tipikus esete, pl. a fémek nagyhőmérsékletű oxidációs korróziója előmelegítő, vagy hőkezelő kemencékben. Gyakran a légköri korrózió is hasonló károsodást idéz elő. A vázlatos ábrán az egyenletes korrózió esetén tapasztalható elvékonyodás figyelhető meg. Az egyenletes korróziót nem soroljuk a veszélyesebb korróziók közé, mivel kellő anyagismeret alapján, helyes anyag megválasztással a korróziót meg lehet előzni. Egyenletes korróziót idézhetnek elő savak és lúgok is azoknak a fémeknek a felületén, amelyek a savban, vagy a lúgban oldódnak.

3 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A korrózió veszélyesebb formája a helyi korrózió, mert gyakran alig látható méretű elváltozásokat, lyukat, gödrösödést, repedést, felhólyagosodást, anyagkifáradást stb. okoz, ugyanakkor a szerkezeti anyag mechanikai tulajdonságait jelentősen megváltoztathatja. A helyi korrózió igen változatos formában jelentkezik. Az egyik legveszélyesebb és viszonylag gyakran fellépő megjelenési formája a lyukkorrózió. Bizonyos típusú ötvözetekre jellemző korrózió fajta a kristályszerkezeti korrózió, amely kristályközi (a ábra) és szelektív (b ábra) formában jelenik meg. Szintén helyi korrózió típus a tartós mechanikai igénybevétel esetén, pl. periodikusan ismétlődő feszültségnél jelentkező korróziós kifáradás.

4 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
Fémek korróziója A természetben a legtöbb fém valamely vegyületeként fordul elő. Ezek oxidok, szulfidok, karbonátok vagy más komplex vegyületek. Az, hogy a fémek legtöbbje csak vegyületek formájában található meg a természetben, valamilyen természeti törvényszerűséget fejez ki. A tiszta fém előállításához jelentős mennyiségű energiát kell befektetnünk és sajnálattal tapasztaljuk, hogy a fém előbb vagy utóbb spontán végbemenő folyamat során újra valamilyen vegyületté alakul. A korrózió tulajdonképpen a termodinamika által megfogalmazott energiaminimumra való törekvés. A termodinamika szóhasználatában az önként végbemenő folyamatokat az jellemzi, hogy a szabadentalpia-változás (ΔG) előjele negatív, azaz a végállapot szabadentalpiája kisebb, mint a kiindulási állapoté. A szabadentalpia-változás előjele, azonban csak a folyamat termodinamikai lehetőségét adja meg, a folyamat sebességéről semmit nem árul el. A korrózióvédelmi technikák során számos esetben a sebességi folyamat korlátozásával igyekszünk minél hosszabb, de nagyon is véges idejű védelmet biztosítani.

5 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
Mechanikai hatásokkal együtt járó korrózió A fémes szerkezeteket általában statikus, vagy dinamikusan - gyakran periodikusan változó - mechanikai hatások (húzás, nyomás, nyírás, csavarás, rezgés) érik. Attól függően, hogy milyen mechanikai igénybevétellel együtt lép fel a korrozív hatás megkülönböztetünk feszültségkorróziót, korróziós kifáradást, eróziós és kavitációs korróziót. Feszültségkorrózió Tartós, statikus mechanikai feszültség hatása alatt a fémek korrozív közegben rövidebb idő alatt tönkremennek, mint feszültségmentes körülmények között. Mind a rugalmas, mind pedig a maradó alakváltozások miatt a fém felületének egyes részei aktívabb állapotba kerülnek a feszültségmentes állapothoz viszonyítva, a fém oldódása a korrozív közegben ezeken a helyeken fokozottabb lesz. A feszültségkorróziót tehát a mechanikai igénybevétel és korrózió együttesen idézi elő. Korróziós kifáradás A tartós, periodikus mechanikai igénybevételnek kitett fémes szerkezetek tönkremenetelét, törését nevezzük kifáradásnak. Ciklusos igénybevétel esetén a fém kristályai egymáshoz viszonyítva elmozdulnak, ami az anyag felkeményedését, a felület érdesedését és a felületi védőréteg sérülését, összetöredezését, leválását eredményezi. E felületi helyek aktívabbak, korrozív közeg jelenlétében nagyobb az oldódási sebességük. Az anyag kifáradása rövidebb idő alatt, vagy kisebb igénybevételnél következik be, mint a közeg jelenléte nélkül.

6 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
Eróziós és kavitációs korrózió Eróziós korrózióról akkor beszélünk, amikor a fém tönkremenetelét elsősorban a korrozív közegnek és a fémfelületnek egymáshoz képest bekövetkező elmozdulása, azaz a folyadék áramlása okozza. Az eróziós korrózió bemélyedések, gödrösödések, lekerekített lyukak formájában, gyakran az áramlás irányának megfelelően irányított formában jelenik meg. Az áramló folyadék - és rendszerint a benne szuszpendált finom részecskék - súrlódása miatt a fém felületén vagy ki sem alakulhat a korrózió ellen védő felületi réteg, vagy megsérül az és a fém oldódása a korrozív közegben gyorsabb lesz. Fokozottabban lép fel eróziós korrózió olyan helyeken, ahol a folyadék áramlása turbulenssé válik (csőszűkületek, áramlási irányváltozás stb.). Kavitációs korróziót leggyakrabban a nagy sebességgel áramló, meleg hűtővíz rendszerekben tapasztalunk. Szűkületeknél, a hűtőfolyadék be- és kilépési helyeinél az áramlási sebességnövekedés akkora lehet, hogy a szükségszerűen bekövetkező nyomáscsökkenés miatt a meleg fémfelület adott pontjain gőzbuborék képződés léphet fel. Más felületi helyeken a buborékok megszűnése ütésszerű igénybevételt okoz. Igen gyakran a buborékképződést és megszűnést vibrációs hatás is elősegíti. Ezeken a helyeken a korrózió elleni védőréteg károsodik, egyre mélyebb lyukak képződnek, amelyek befelé öblösödnek és tartós hatás esetén általában átlyukadáshoz vezetnek.

7 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A fémes szerkezeti anyagokat érintő korróziót az alábbi kategóriákba lehet sorolni. - Elektrokémia korrózió. Elektrokémiai potenciálkülönbség kiegyenlítődése során bekövetkező korróziós folyamat, amelyek részfolyamatai térben elkülöníthetően (ez lehet nanométeres és méteres nagyságrendű) játszódnak le. - Kémiai korrózió. A fém felületén olyan tisztán kémiai átalakulások mennek végbe, amelyek jelentős tömeg vesztességgel járnak. Ilyen jelenséget okoz a biomassza tüzelésekor a tűztérben elpárolgó, majd a hidegebb helyeken kicsapódó kálium-klorid . - Feszültség korrózió. Más néven anyagfáradás, amely a fémkristályok közötti összetartó erők gyengülésének eredménye. Ez a korrózió típus nem kémiai jellegű, részletes tárgyalására nem kerül sor.

8 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
Az elektrokémiai korrózióra az a jellemző, hogy a határfelületi folyamatokban töltéssel rendelkező részecskék - ionok - is részt vesznek. Jellemzője továbbá az is, hogy az oxidációs és a redukciós részfolyamat térbelileg elkülöníthető. Pl. a Fe +2 HCl = FeCl2 + H2 reakció redoxi folyamat. Ha a vas oldódása sósavoldatban közvetlenül történik, akkor a töltésátmenet - vas ionok oldatba jutása és az elektronok protonok összekapcsolódása - térben nem különül el. Ha a fém ionok oldódása, elektronok leadása - oxidáció, anódos részfolyamat - és az elektronok felvétele, a hidrogén képződése - redukció, katódos részfolyamat - az ábrán látható módon zajlik, akkor a két részfolyamat térben elkülönül.

9 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
Kialakul egy elektromos áramkör: a külső körben elektronok áramlanak a negatív elektródtól (Fe) a pozitív (Pt) felé, az elektrolitban pedig a hidrogén ionok a Pt, a klorid ionok pedig a Fe elektród felé vándorolnak. Elektrolitnak nevezzük azon folyadékokat vagy szilárd anyagokat, melyek elektromos áram vezetésére képesek a töltéshordozóik – anionjaik és/vagy kationjaik – révén. Másik elnevezésük: ionvezetők. Ilyenek, pl.: a sók, savak és bázisok vizes oldatai, vagy nagyobb hőmérsékletű olvadékai. Egyes szilárd vegyületek is képesek nagyobb hőmérsékleten ionos vezetésre, pl.: ZrO2, Al2O3 A katódos részfolyamatot - amelynek szükségszerűen végbe kell menni ahhoz, hogy fémoldódás bekövetkezzék, általánosan depolarizációs folyamatnak nevezzük. A korróziós folyamatok jelentős része vizes közegben lejátszódó, elektrokémiai reakciók útján következik be. A savas közegű korróziós folyamatoknál a depolarizációs részfolyamat a már említett 2 H3O+ + 2 e- ↔ H2 + 2 H2O hidrogénfejlődéssel járó redukciós reakció /hidrogén depolarizációs folyamat/. Semleges, vagy lúgos közegben - ahol kicsi a hidrogénion koncentráció - a vízben oldott oxigén redukciója játszódhat le /oxigén depolarizációs folyamat/ az 1/2 O2 + H2O + 2e - ↔ 2 OH – reakcióegyenlet szerint.

10 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A gyakorlatban végbemenő korróziós folyamatokban a fémes anyaggal érintkező közeg általában elektrolit, ezért a korrózió tipikus elektrokémiai folyamat. Az atmoszférával érintkező fémeket is rendszerint vékony folyadékréteg borítja kondenzáció, vagy közvetlen nedvesedés miatt. Ez szintén elektrolitot képez, mert a levegő komponensei (O2 , CO2 , SO2 stb.) benne feloldódva a vízben ionos állapotban vannak jelen. Az elektrokémiai korrózió egyrészt a fém anódos oldódása (pl. kóbor áram hatására, vagy galváncella működése miatt), másrészt a fém spontán oldódása (spontán korrózió) következtében jöhet létre. A fémek spontán oldódása azt jelenti, hogy a katódos részfolyamatot az elektrolitban jelen lévő valamilyen oxidálószer, az ún. depolarizátor biztosítja. A leggyakoribb depolarizátor az oxigén, és ugyanilyen hatásúak a protonleadásra képes vegyületek (savak) is. A korábbiakban már volt szó a hidrogén depolarizációs és az oxigén depolarizációs katódos folyamatokról. A korrózió elleni védelem szempontjából fontos következtetés, hogy fémkorrózió spontán módon nem következhet be elektrolitban sem, ha a depolarizációs folyamatok lejátszódásának a feltételei nem biztosítottak. A spontán korrózióhoz minimálisan a következő két egymással összekapcsolt, azonos sebességű, párhuzamos elektródfolyamatnak kell lejátszódni:

11 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A hidroxóniumion és az oldott oxigén depolarizációs hatását savas, ill. lúgos és semleges közeg esetén szemléletesen mutatja az ábra. A Fe2+-ionok képződésekor szabaddá váló elektronokat savas közegben a hidroxóniumionok, semleges és lúgos közegben az oxigénmolekulák fogyasztják el. A primer folyamatokat további sorozatos és/vagy párhuzamos reakciók is kísérhetik.

12 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A korróziós folyamatok sebességcsökkentésének egyik lehetséges módja a fémek passzív állapotba vitele. Passzivitásnak azt jelenséget nevezzük, amikor a fémnek a vele érintkező közeg komponenseihez ugyan nagy az affinitása, ennek ellenére mégis nagyon kicsi a reakció sebessége. A passziválódásra hajlamos fémek két úton hozhatók passzív állapotba. Egyrészt megfelelő oxidálószerek (a levegő oxigénje, oxisavak) hatására, másrészt anódos polarizációval. A fémfelületek passziválása A fémeket - elsősorban a vasat - gyakran olyan fémekkel ötvözik, amelyek önmagukban is könnyen passziválódnak. A korrózióálló acélok, pl. Cr és Ni ötvözetek passziválódása azért következik be, mert a Cr és a Ni a felületi rétegben feldúsul és a felületi réteg a passziválódás szempontjából az ötvözők sajátságaihoz válik hasonlóvá.

13 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A korrózió elleni védelem módszerei A korrózió elleni védekezésnek számos módszere ismeretes. Adott szerkezet esetén - tekintettel a várható kár jelentőségére - egyszerűbb, vagy összetettebb, olcsóbb, vagy költségesebb, hatékonyabb, vagy kevésbé hatékony, tartós, vagy átmeneti korrózióvédelmi módszert, eljárást választhatunk. Általában sok követelményt, környezeti hatást kell figyelembe venni a védelem megtervezéséhez. A tervezés a megfelelő szerkezeti anyag kiválasztásával kezdődhet, de gyakran a környezet agresszivitása is egyszerű módon csökkenthető, pl. a korrozív közeg hőmérsékletének, áramlási viszonyainak, összetételének, pH-jának, oxigénkoncentrációjának, stb. megváltoztatásával. Gyakori, de nem minden esetben alkalmazható módszer a szerkezeti anyag és a korrozív közeg érintkezésének elkerülése, pl. szigetelő réteg, festék és műanyag bevonat kialakításával. Ezeket összefoglalóan passzív védelmi módszereknek nevezzük. A korrózió elméleti alapjainak és szükséges minimális feltételeinek ismeretében mód nyílik a korrózió elleni elektrokémiai aktív védelemre is. A korróziós folyamatok végbemenetelének szükséges feltétele, hogy a fém ionizációján túl legalább egy depolarizátor redukciója, vagy azzal egyenértékű részfolyamat is párhuzamosan lejátszódjék. A korrózió tehát csökkenthető, ha az említett két részfolyamat sebességét - akár csak az egyikét is - csökkentjük.

14 A korrózió elleni védelem módszerei
a.) Passzív: olyan védőbevonat kialakítása a fém felületén, amely csak a bevonat megsérüléséig jelent tökéletes védelmet: lakk, műanyag, zománc, festék eloxálás: ha a védendő fémet anódnak kapcsolva elektrolízissel megvastagítjuk a védő oxidréteget. passzív fémbevonat: ha a védőréteg nagyobb potenciálú, mint a védendő fém (fehérbádog: ónnal bevont vaslemez; nikkelezett acéltárgyak). Ekkor a védő bevonat megsérülése után még gyorsabb a korrózió (helyi elem alakul ki). b.) Aktív: a védendő fémet nála kisebb elektródpotenciálú fémmel érintkezésbe hozva olyan helyi elem alakul ki, amelyben a védőfém oldódik! Ekkor a védőfém gyakorlatilag a teljes oxidációjáig védi a másikat a korróziótól. Aktív fémbevonat: ha a védőréteg kisebb potenciálú, mint a védendő fém: horganyzott bádog (cinkkel bevont vaslemez). Ekkor a védőréteg a megsérülése után megvédi a fémet. Katódos fémvédelem: a képződő helyi elemben a védendő fém a pozitív pólus, amelyen redukció történik, vagyis a katód.

15 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A fémek katódos védelme A korróziós áram - a korrózió sebességének egyik lehetséges mértéke - csökkenthető tehát azáltal, hogy a védendő fém potenciálját negatív irányba megváltoztatjuk, azaz katódosan polarizáljuk. Ez kétféleképpen is történhet: a fémet vagy külső áramkörbe katódként kapcsoljuk (külső áramforrású katódos védelem), vagy a fémet egy másik, nálánál negatívabb elektródpotenciálú fémmel (védőanód) fémesen összekötjük (belső áramforrású katódos védelem). Az ún. belső áramforrású katódos eljárás során a depolarizátor redukcióját a védőanód oldódása során képződött elektronok biztosítják, az ún. külső áramforrású katódos védelem esetén a redukciós részfolyamatot külső, egyenáramú feszültségforrás biztosítja. Az ábra egy talajfelszín alatti tartály katódos védelmének a kapcsolási vázlatát mutatja. A védendő tárgyat az egyenáramú feszültségforrás negatív pólusára kapcsolják (katód). A pozitív elektronvezető elektródot a védendő tárgy közelében helyezik el; anyaga gyakran koksz, ferroszilícium, vagy elektronvezető műanyag. A környezet (pl. a talajvíz) korrózív hatásától függően szabályozzák a védőáram-sűrűség értékét. A védőpotenciál nagysága az ábrán látható módon a védett tárgy és a referencia-elektród között mérhető és ez a szabályozáshoz felhasználható.

16 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió

17 Gépelemek fő tönkremeneteli formái: korrózió
A fémek anódos védelme A passziválódásra képes fémek és ötvözetek (pl. a króm és nikkel ötvözésű acélok) aktív védelme külső áramforrás segítségével, anódos polarizációval is biztosítható. Inhibitorok alkalmazása A korróziós inhibitorok a fém oldódásának, vagy a depolarizátor redukciójának a sebességét csökkentik. Egyik csoportját az ún. adszorpciós inhibitorok képezik. Ezek olyan szerves vegyületek, amelyeknek a molekuláiban heteroatomként oxigén, kén, nitrogén található. Ezek a korrózió sebességére gyakorolt hatásukat úgy fejtik ki, hogy a fémfelület aktívabb helyeit adszorpciójuk révén beborítják, lefedik és emiatt megnövekszik a kevésbé aktív helyeken az anódos áramsűrűség, ennek következtében pedig nő a túlfeszültség, csökken a fémoldódás. Az inhibitorok másik csoportja az ún. passzivátorok. Ezek szervetlen vegyületek: kromátok, volfrámátok, foszfátok stb., és a fém passzív állapotának a kialakulását segítik elő, ill. tartják fenn.