miniatyr|Korrosion i havsmiljö.
Korrosion (från latinets corrodere som betyder fräta sönder),Westrin et al. (1911), Nordisk familjebok 14, Nordisk familjeboks förlags AB: Stockholm, sid. 1075 eller frätning, innebär att ett material, vanligtvis en metall, löses upp genom en kemisk, oftast elektrokemisk, reaktion till en mer stabil form som exempelvis oxider, hydroxider och sulfider. Även andra material än metaller, såsom plaster eller keramer, kan korrodera. I dagligt tal syftar man dock vanligen till korrosion av metaller, när man använder begreppet korrosion.
Allmänt Korrosion har sin grund i de olika materialens molekylära strukturer. Metaller är inte lika stabila som många oxider. Metallens inre krafter gör därför att metallen bryts ner till en stabilare förening, mer lik ursprungsmineralen. När exempelvis stål framställs ur järnockra ökar Gibbs fria energi vilket gör den relativt rena metallen instabilare än malmen (Fe2O3 + 3C → 2Fe + 3CO2). När stålet sedan korroderar sänks energin igen vilket gör att korrosionsprodukten blir stabilare (4Fe + 3O2 → 2Fe2O3). Korrosionsprodukten är definitionsmässigt en keram eftersom den består av en metall och en icke-metall.
Man skiljer mellan korrosionsangrepp och korrosionsprodukter. Ett korrosionsangrepp avverkar material i form av korrosionsprodukter, såsom rost för stållegeringar eller ärg för kopparlegeringar. Korrosionsprodukter ansamlas ofta på ytan som exempelvis rost men kan även lösas i oxidationsmedlet. Korrosion kan ske i en omgivning av såväl luft som vatten, men även i kemiska lösningar, jord, med mera.
Teori miniatyr|Svetsfogar försämrar korrosionsmotståndet. Dessutom har olika korrosionsskydd olika beständighet. För att en korrosionsprocess ska kunna ske måste metallen utsättas för ett oxidationsmedel samtidigt som elektroner måste kunna vandra från en anodyta till en katodyta. Korrosionsprocessen består av två halvceller, nämligen oxidation och reduktion. Där oxidationen sker, sker även angreppet på metallen. Metallen bildar metalljoner medan elektroner avges. Vid reduktionsdelen tas elektronerna upp och binds med oxidationsmedlet; oxidationsmedlet reduceras. De vanligaste katodreaktionerna är reduktion av syre (O2 + 2H2O + 4e– → 4OH–) och vätejoner (2H+ + 2e– → H2). Vanliga anodreaktioner är oxidation av en godtycklig metallatom (M → Mn+ + ne–) samt oxidation av vätgas (H2 → 2H+ + 2e−). M står här för en godtycklig metall och n står för laddning/antal elektroner.W. Callister (2007), Materials Science and Engineering - An Introduction, John Wiley & Sons, Inc: New York, USA, sid. 623
miniatyr|Korroderat koppartak på Riddarhuspalatset i Stockholm. Vanliga oxidationsreaktioner: Fe → Fe2+ + 2e– Ni → Ni2+ + 2e– Al → Al3+ + 3e– Vanliga reduktionsprocesser: 2H+ + 2e- → H2 (Vätgasreduktion) O2 + 4H+ + 4e- → 2H2O (Reduktion i sura lösningar) O2 + 2H2O + 4e- → 4(OH-) (Reduktion i neutrala och basiska lösningar) Korrosion leder till att Gibbs fria energi sjunker och korrosionsprodukten blir stabilare. Dock används inte Gibbs fria energi till att mäta korrosion utan istället korrosionspotentialen (Ekorr eller Φkorr) som kan relateras till Gibbs fria energi via Nernsts ekvation (ΔG = −nFE, där ΔG står för Gibbs fria energi, n står för antal involverade elektroner, F står för Faradays konstant och E står för korrosionspotentialen). Nernsts ekvation kan alltså förutse hur jonkoncentrationen påverkar korrosionspotentialen enligt ekvationen nedan.
där E (alternativt Φ) står för elektrod- eller jämviktspotential, E0 (alternativt Φ0) står för standardpotentialen, R står för allmänna gaskonstanten, T står för absoluta temperaturen i Kelvin, F står för Faradays konstant, [Red] står för koncentrationen av reducerat ämne och [Ox] står för koncentrationen av oxiderat ämne. För järnjoners reduktion vet man att standardpotentialen är −0,440 jämfört med väte-elektroden, RT/F blir 0,059 vid 23 °C, n är 2 och koncentrationerna gäller järn respektive järnjonerna. Ekvationen kan alltså förenklas för järnjoners reduktion enligt nedan:
Hastighet miniatyr|Förenklat Pourbaixdiagram för järn.|350x350px Korrosion bygger alltid på en överföring av elektrisk laddning och joner. Storleken på potentialen, elektronaktiviteten och den exponerade metallytan har stor inverkan på korrosionshastigheten. Korrosionshastigheten kan definieras på flera sätt såsom hållfasthetsminskning per tidsenhet (exempelvis brott- eller sträckgräns som ofta anges i enheten procent per år), korrosionsdjup per tidsenhet, tjockleksminskning per tidsenhet (ofta mätt i enheten mm/år) och viktförlusten per tidsenhet (ofta mätt i enheten mg/dm2/dag). En annan definition är strömstyrkan per areaenhet. En liten area som korroderar lokalt på en större konstruktionsarea, till exempel gropfrätning, kan ha en hög korrosionsström per korroderande areaenhet i gropen. Korrosionshastigheten kan i detta fall vara svår att beräkna för hela konstruktionen då det är endast punkter som korroderar. En allmän korrosion som sker på hela konstruktionsarean ger en jämnare ström per areaenhet och materialet korroderar jämnt över hela ytan. Korrosionshastigheten kan då beräknas genom strömtäthet som betecknas i, mäts vanligtvis i ampere per cm² och definieras som totalström dividerat med area, det vill säga , där . Alltså är . Eftersom korrosionsangreppet sker vid anodytan är anodströmmen styrande för korrosionshastigheten enligt: . Av ekvationen ser man att korrosionshastigheten blir extrem vid små anodytor och stora katodytor.
Mycket litteratur bygger på att korrosion sker i en lösning. Verkligheten är dock att korrosion oftast inte sker i lösning utan i fuktiga miljöer. När en natriumkloridlösning på exempelvis 1 M torkar in ökar koncentrationen i saltkristallerna till 6 M. Koncentrationen tillsammans med tillgång på syre gör att korrosionshastigheten ökar markant jämfört med korrosion i lösning.
miniatyr|Korrosionens elektrokemiska natur. pH kan ofta ha en stor inverkan på korrosionshastigheten. För stål ökar korrosionshastigheten kraftigt vid pH-värden under 4. Aluminium är en vanlig konstruktionsmetall för exempelvis byggnader men som är mycket pH-känslig. Aluminium är stabilt mellan pH cirka 4–9 men korroderar extremt i surare respektive alkaliskare miljöer. Detta område kan breddas genom anodisering och efterbehandling i form av exempelvis silan- eller silikatbeläggningar.
Passivering Vid korrosion bildas ibland en oxid som reaktionsprodukt. Denna oxid bildar en tät och vidhäftande hinna på ytan som begränsar kontakten med oxidationsmedlet. Den så kallade passiva ytan är oftast bara några mikrometer tjock men isolerar halvcellerna tillräckligt för att begränsa korrosionen (vanligtvis kring 0,01 mA/cm²).
Exempel på passiva material i luft är rostfritt stål, aluminium och titan. Korrosion, vardagligt kallat rost, lägger sig förvisso på ytan men inte tillräckligt för att passivering ska kunna ske. Oxidskiktet är helt enkelt inte tätt nog för att hålla ute oxidationsmedlet. Finns komplexbildare (till exempel kloridjoner) i oxidationsmedlet ökar jonledningen vilket gör passivskiktet instabilt. Exempel på ett passivt material i jord är bly, på grund av bildning av blykarbonat Pb2+ + CO32- → PbCO3. I jord finns det mycket koldioxid (på grund av nedbrytning av organisk material) därför korroderar normalt inte bly i jord vid pH värde mellan 5 och 7.
Ett Pourbaixdiagram är ett potential–pH-diagram som visar inom vilka områden som metallytan är passiv.
Korrosionstyper Allmän korrosion Vid allmän korrosion finns anod- och katodytor överallt på ytan vilket gör att hela ytan korroderar. Allmän korrosion av metaller påskyndas av hög temperatur, lågt pH-värde, närvaro av klorider, närvaro av oxidationsmedel samt typ av legering.
miniatyr|Bimetallkorrosion mellan rostfritt skruvförband och kolstål. Figuren bredvid är en bra visualisering av en allmän korrosionsprocess. Korrosionen sker i detta fall mellan järn (Fe), syre (O2) och vatten (H2O). Korrosionen gröper ur metallen på anodytan genom oxidation. Järnjoner (Fe2+) frigörs samtidigt som elektroner vandrar över till katodytan. Vid katodytan sker en reduktion varvid elektronerna binds med oxidationsmedlet. I detta fallet är oxidationsmedlen syre och vatten som bildar hydroxidjoner (OH-). Korrosionen sker i en tvåstegsreaktion, enligt reaktionen nedan, och resulterar i järn(III)oxidhydroxid (FeO(OH)) som ofta kallas rost. För att korrosionen ska kunna ske krävs att det finns ett adsorberat vattenskikt. Järn rostar inte vid relativ fuktighet under 60 %. Eftersom ytan består av massor av anod- och katodytor angrips hela ytan. miniatyr|Filiform korrosion från rits på en lackad aluminiumdetalj efter ACT provning. miniatyr|Tvärsnitt av teoretisk gropfrätning.Fe + 2H2O → Fe(OH)2 + H2 (g)miniatyr|Gropfrätning på sovjetisk mugg i aluminium.2Fe(OH)2 + ½O2 → 2FeO(OH) (s) + H2Ominiatyr|Interkristallin korrosion. Ett annat exempel på allmän korrosion är den korrosion som koppartak utsätts för (se bild på Riddarhuspalatset). När koppar korroderar bildas en grön oxid som ofta kallas ärg. Denna yta består normalt sett av två skikt. Ett inre skikt kuprit (Cu2O), som är svart, samt ett yttre skikt som kan bestå av två olika oxider. Om luften är fri från salt består taket av enbart av brokantit (Cu4(OH)6SO4), som är grön. Innehåller luften salt består det yttre skiktet helt eller delvis av atakamit (Cu2(OH)3Cl) som också den är grön.
Kolstål utsätts för allmän korrosion om den relativa luftfuktigheten når 60 % eller högre. Över dessa 60 % är luftfuktigheten relativ korrosionshastigheten.E. Ullman (2003), Karlebo - Mateiallära, Liber AB: Värnamo, sid. 161 miniatyr|Normal mikrostruktur 1.4301 stål.
Bimetallkorrosion Bimetallkorrosion, eller som det tidigare kallades galvanisk korrosion, är en form av lokal korrosion (korrosionscell). Om metaller med olika ädelhet (olika korrosionspotential, även kallat kontaktpotential eller elektrod potential) är i kontakt och utsätts för en elektrolyt skapas en galvanisk cell. Metallen med högre korrosionspotential blir då katod medan den med lägre potential blir anod. Dock krävs en skillnad i korrosionspotential på minst 50 mV för att processen skall komma igång. Bimetallkorrosion sker enligt: ianod Aanod = ikatod Akatod, där i står för strömtäthet (A/cm²) och A för area (cm²). Utgående från denna ekvation ser man att bimetallkorrosion går mycket fort då anodytan är liten och katodytan stor.
Erosionskorrosion Erosionskorrosion är en kombination av ett kemiskt och mekaniskt angrepp oftast i områden med turbulent strömning av fluider. Korrosionstypen syns ofta vid exempelvis kraftiga krökar, försmalningar och i pumpar.
Filiform korrosion Filiform korrosion är en form av spaltkorrosion som sker mellan substrat och organiska ytbeläggningar. Korrosionen startar i en defekt i lacken och sprids genom att fukt tränger genom gränsskikten som orsakar korrosion som orsakar runda eller maskformade blåsor som ofta flagnar (se bild på lackerat aluminium). Ytbelagt stål och aluminium är exempel på två vanliga konstruktionsmaterial som är känsliga för filiform korrosion medan exempelvis rostfria stål, gjutlegeringar, koppar och titan är relativt okänsliga. Filiform korrosion är en vanligt förekommande korrosionstyp på fordon med lackerad metallyta som ofta börjar vid en vass kant, skruv eller stenskott men kan även orsakas av skav mellan detaljer. Delar som ofta uppvisar filiform korrosion på fordon är lackerade fälgar, karossdetaljer, luckor och dörrar. Korrosionen kan förhindras eller mildras genom att använda en organisk ytbeläggning som inte släpper igenom vatten, såsom epoxi. Vassa kanter är svåra att täcka med konventionell spray- eller dopplackering. För att täcka dessa brukar man elektrodoppa detaljerna innan man lackerar med en baslack.
Gropfrätning