Czym jest korozja galwaniczna? Przyczyny i zapobieganie
Korozja galwaniczna to przyspieszona utrata metalu spowodowana łączeniem materiałów o różnym potencjale korozyjnym. Wymaga połączenia elektrycznego i wspólnego elektrolitu, takiego jak słona woda lub wilgotna, zanieczyszczona warstwa. Bardziej aktywny materiał staje się anodą i koroduje szybciej niż gdyby był sam. Kontakt różnych metali w całkowicie suchym środowisku nie tworzy, przez sam kontakt, tego mokrego ogniwa korozyjnego.
Jak działa obwód korozji galwanicznej
Mokra, połączona elektrycznie para zachowuje się jak mała bateria. Anoda dostarcza elektrony w miarę rozpuszczania się atomów metalu. Katoda odbiera te elektrony w reakcji redukcji. Definicja AMPP podkreśla zmianę wywołaną przez sprzężenie: szybszą korozję elementu anodowego i generalnie wolniejszą korozję elementu katodowego.
Materiały poddane działaniu czynników zewnętrznych zachowują się inaczej w rzeczywistych warunkach cieczy i powierzchni. Nazwa stopu, powłoka i film pasywny mają znaczenie.
Przenoszenie elektronów między materiałami może odbywać się poprzez bezpośredni kontakt, śrubę, spoinę, drut lub zwykłą ramę.
Odsłonięte powierzchnie łączy ciecz przewodząca jony lub mokra warstwa. Kondensacja lub wilgotne osady soli mogą wystarczyć.
Bezpośredni kontakt z mokrą powierzchnią nie jest konieczny. Dwie części rozdzielone uszczelką mogą być nadal połączone elektrycznie za pomocą trzpienia śruby lub przewodu łączącego w innym miejscu. Jeśli ich odsłonięte powierzchnie połączy również ciecz przewodząca, obwód elektryczny może pozostać zamknięty.
Elektrony przemieszczają się przez połączenie elektryczne; jony przenoszą ładunek przez elektrolit. Na katodzie reakcja, taka jak redukcja tlenu, pochłania przybywające elektrony. W napowietrzonej, niemal neutralnej wodzie, uproszczone reakcje można zapisać jako:
Anoda: rozpuszczanie metalu M → M n+ + ne −
Katoda: typowa reakcja w napowietrzonej wodzie obojętnej O₂ + 2H₂O + 4e − → 4OH −
M oznacza metal, a n jego ładunek jonowy. Inne elektrolity mogą wspierać różne reakcje katodowe.
Który metal koroduje pierwszy?
Materiał, który jest bardziej aktywny w środowisku pracy, zazwyczaj staje się anodą. Szereg galwaniczny klasyfikuje materiały według ich zmierzonych potencjałów korozyjnych w określonym elektrolicie. Norma ASTM G82 wyjaśnia, jak stosować taki szereg i dlaczego jego środowisko ma znaczenie.
Poniższe tendencje są przydatne w wielu napowietrzonych, wilgotnych środowiskach. Nie dopuszczają one jednak połączenia dla każdego stopu, powłoki, cieczy ani temperatury.
| Połączone materiały | Zwykle bardziej bezbronny | Co sprawdzić |
|---|---|---|
| Aluminium + pasywna stal nierdzewna | Aluminium | Odsłonięte obszary, sole, uwięziona woda, krawędzie otworów i pełne szczegóły izolacji elementów złącznych. |
| Aluminium + miedź lub mosiądz | Aluminium | Połączenie elektryczne, dzielona wilgoć, powłoki i wielkość każdej odsłoniętej powierzchni. |
| Stal węglowa + pasywna stal nierdzewna | Stal węglowa | Mały stalowy element mocujący dużą, mokrą powierzchnię ze stali nierdzewnej jest niekorzystnym rozwiązaniem. |
| Stal ocynkowana + miedź lub pasywna stal nierdzewna | Powłoka cynkowa | Dodatkowe sprzęganie może przyspieszyć zużycie cynku. Sprawdź obszar i otoczenie narażone na cynk. |
| Kompozyt aluminium + przewodzącego włókna węglowego | Aluminium | Odsłonięte włókna, przewodzący pył, elementy złączne i uszkodzenia krawędzi. Węgiel może pełnić funkcję katody, mimo że nie jest metalem. |
Przesuń palcem w bok na małych ekranach. Źródła: wytyczne BSSA dotyczące parowania materiałów , Amerykańskie Stowarzyszenie Galwanizerów oraz dyskusja FAA na temat kompozytów grafitowo-epoksydowych.
Stan powierzchni może wpłynąć na ocenę. Stal nierdzewna z nienaruszoną warstwą pasywną może zachowywać się inaczej niż w miejscu, gdzie warstwa ta uległa zniszczeniu. Seria wodna nie jest również wiarygodnym rankingiem dla gorącego kwasu, roztworu alkalicznego ani konkretnego chłodziwa. Standardowe potencjały elektrod opisują wyidealizowane półreakcje; odjęcie dwóch z tych wartości nie gwarantuje kompatybilności polowej ani trwałości eksploatacyjnej.
Informacje na temat mechanizmu ochrony cynkiem i wyboru powłok można znaleźć w artykule: stal ocynkowana: rodzaje, gatunki i zastosowania . W przypadku szerszego wyboru w zakresie obróbki blacharskiej, patrz: stal nierdzewna kontra aluminium.
Dlaczego mała anoda i duża katoda stanowią problem
Duża, mokra katoda może wytworzyć prąd redukcyjny, który musi dostarczyć znacznie mniejsza anoda. To koncentruje prąd anodowy na niewielkiej ilości odsłoniętego metalu. Wada śruby, nitu, krawędzi cięcia lub powłoki może zatem spowodować utratę przekroju szybciej, niż sugeruje rozmiar całego zespołu.
Należy liczyć zwilżoną, uczestniczącą powierzchnię – nie tylko obszar styku. Mały styk śrubowy może połączyć elektrycznie duży panel. I odwrotnie, tylko część tego panelu może być zwilżona tą samą warstwą przewodzącą. Powłoki, rezystancja elektrolitu, drenaż i geometria obszaru mokrego wpływają na efektywne powierzchnie.
Pokrycie samej anody może stworzyć słaby punkt. Rysa w tej powłoce odsłania niewielki obszar anodowy obok dużej, odsłoniętej katody. Problem anody powlekanej, omawiany przez Narodowe Biuro Standardów, opiera się na tej samej zasadzie stosunku powierzchni do powierzchni. W miarę możliwości należy zaplanować ochronę obu elementów, w tym otworów i krawędzi; zmniejszenie odsłoniętej katody jest zazwyczaj bezpieczniejszym rozwiązaniem, jeśli tylko jeden element może zostać pokryty powłoką barierową.
Jak zapobiegać korozji galwanicznej w złączu
Zacznij od usunięcia czynnika podtrzymującego ogniwo. Jeśli jest to niepraktyczne, połącz dobór materiałów, bariery, zarządzanie wodą i odpowiedni stosunek powierzchni do powierzchni. Wytyczne Amerykańskiego Stowarzyszenia Galwanizatorów (American Galvanizers Association) wykorzystują to podejście oparte na obwodach do zespołów ocynkowanych.
Wybierz materiały do rzeczywistej ekspozycji
Należy określić stopy bazowe i wykończenia, w tym powłokę elementu złącznego. Do oceny pary należy wykorzystać odpowiednią serię galwaniczną, odpowiednie doświadczenie serwisowe lub testy. Materiał akceptowalny wewnątrz pomieszczeń może wymagać innej ochrony w strefie rozbryzgów morskich lub w strefie mycia chlorkami.
Należy wziąć pod uwagę pozostałe funkcje danej części. Odporność na korozję, obciążenie mechaniczne, temperatura i wymagana przewodność elektryczna muszą być spełnione łącznie. Wymiana elementu mocującego na szlachetniejszy materiał może chronić ten element, jednocześnie przenosząc ryzyko korozji na otaczający panel.
W miarę możliwości odizoluj całą ścieżkę elektryczną
Kompletny detal może wymagać zastosowania uszczelki nieabsorbującej między powierzchniami czołowymi, tulei wokół trzpienia śruby oraz podkładek izolacyjnych pod łbem i nakrętką. Sama podkładka nie izoluje śruby, która nadal styka się ze ścianką otworu.
Sprawdź, czy nie ma metalowych zadziorów, przewodzących zanieczyszczeń, wspólnych ram lub połączeń łączących, które omijają barierę. W przypadku, gdy wymagane jest połączenie elektryczne, należy zachować tę funkcję i wybrać odpowiednie zabezpieczenia antykorozyjne. Elementy izolacyjne i uszczelniacze muszą również wytrzymywać obciążenie, ruch i temperaturę pracy złącza.
Trzymaj wodę na zewnątrz i pozwól jej swobodnie odpłynąć
Uszczelnij stykające się powierzchnie i wrażliwe krawędzie, stosując system odpowiedni do materiałów i rodzaju ekspozycji. Zapewnij drenaż i dostęp inspekcyjny. Unikaj sytuacji, w których uszkodzone uszczelnienie zatrzymuje wodę wokół łącznika.
Określ zakres pokrycia powłoką otworów, gwintów, krawędzi cięcia i miejsc prawdopodobnego zużycia. Nienaruszona powłoka powierzchniowa na szerokim panelu niewiele pomoże, jeśli uszkodzenia montażowe pozostawią najbardziej narażony, niewielki obszar narażony na uszkodzenia. Zabezpieczenie przed inspekcją i naprawą jest częścią projektu.
Co pokazuje opublikowany przykład drabiny morskiej
BSSA zgłasza lokalne wżery w aluminiowych stopniach bieżnika mocowanych nieizolowanymi śrubami ze stali nierdzewnej w środowisku morskim. Miejsca na tej samej drabinie z podkładkami dźwiękochłonnymi nie wykazały takich wżerów. Obserwacja ta ilustruje korzyści z przerwania połączenia lokalnego. Nie dowodzi ona jednak, że jedna podkładka będzie izolować każdy układ śrub ani że ta sama para materiałów sprawdzi się w każdym środowisku.
Stosuj ochronę ofiarną jako zaprojektowany system
Przydatne jest również działanie galwaniczne. Anody cynkowe, aluminiowe i magnezowe są stosowane w odpowiednich środowiskach do dostarczania prądu ochronnego do innych konstrukcji. AMPP opisuje tę zasadę ochrony katodowej.
Anoda musi być odpowiednia do elektrolitu, pozostawać w kontakcie elektrycznym i dostarczać prąd wystarczający do ochrony obszaru. Należy wziąć pod uwagę umiejscowienie, stan powłoki, zużycie i wymianę. Zamontowanie dowolnego elementu aktywnego metalu nie stanowi kompletnej ochrony.
Jak sprawdzić czy uszkodzenie ma charakter galwaniczny
Preferencyjne uszkodzenia w pobliżu połączenia z różnych metali są wskazówką. Przed ustaleniem przyczyny należy ustalić obwód i lokalizację rzeczywistej utraty metalu.
- Zidentyfikuj połączone materiały. Rejestruj stopy, powłoki, powłoki i elementy złączne. Uwzględnij ukryte połączenia elektryczne i wewnętrzne powierzchnie rurociągów mające kontakt z medium.
- Narysuj ścieżkę cieczy. Sprawdź, czy nie ma kondensacji, wycieków, śladów spłukiwania, osadów soli, zalegającej wody lub wycieków. Upewnij się, że elektrolit dociera do odpowiednich odsłoniętych powierzchni.
- Zachowaj dowody i oszacuj szkody. Przed czyszczeniem sfotografuj wzór i zachowaj niezbędne osady lub próbki. Następnie oceń głębokość wgłębienia, pozostałą ścianę lub przekrój łącznika za pomocą odpowiedniej metody inspekcji.
- Sprawdź konkurencyjne wyjaśnienia. Wżery i pęknięcia mogą wystąpić bez użycia drugiego stopu. Rozległe uszkodzenia powłoki, przeniesiona rdza lub zewnętrzne źródło zasilania mogą wymagać innej korekty.
Przewodnik FAA dotyczący korozji odróżnia atak galwaniczny od innych mechanizmów. Procedury naprawy samolotów są specyficzne dla tej dziedziny; należy stosować się do wymogów akceptacji i naprawy obowiązujących dla danego podzespołu.
Korozja galwaniczna i korozja wywołana prądami błądzącymi mają różne czynniki. Ogniwo galwaniczne wytwarza prąd poprzez sprzężone reakcje materiałowe. Atak prądem błądzącym jest napędzany przez zewnętrzne źródło, takie jak instalacja elektryczna prądu stałego. Podobnie wyglądające uszkodzenia nie oznaczają, że działania naprawcze są takie same.
W przypadku montażu spawanego, materiał wypełniający, obszary poddane działaniu ciepła, zanieczyszczenie powierzchni i geometria szczelin mogą przyczyniać się do powstawania innych mechanizmów. Przewodnik po korozji połączeń spawanych obejmuje szerszą diagnostykę.
Jak szybko będzie korodował metal?
Nie ma wiarygodnego, uniwersalnego współczynnika dla dwóch nazw materiałów ani dla przerwy napięciowej. Współczynnik zależy od rzeczywistego prądu, odsłoniętych obszarów, oporu elektrolitu, warstw powierzchniowych, szybkości reakcji i transportu substancji takich jak tlen. Temperatura, osady i czas, przez jaki złącze pozostaje wilgotne, również mają znaczenie.
Wykres galwaniczny może zidentyfikować niekorzystną tendencję. Nie jest on w stanie przekształcić „aluminium i stal nierdzewna” w ciągu kilku lat. Nawet niewielka średnia utrata masy może ukryć głęboki, lokalny wżer w krytycznym, małym obszarze.
Aby podjąć decyzję projektową, należy przetestować odpowiedni stos materiałów i stan powierzchni w reprezentatywnym środowisku. Przydatne porównania obejmują próbki sprzężone i niesprzężone, z określonym stosunkiem powierzchni zwilżonej i jednoznacznym pomiarem uszkodzeń. Norma ASTM G71 zaleca testy galwanicznego sprzężenia w ciekłych elektrolitach w warunkach, które nie powodują erozji, korozji ani kawitacji.
Uzgodnij, co jest istotne dla danej części: maksymalna penetracja, pozostały przekrój, stan powłoki czy funkcja. Zachowaj czas trwania testu i warunki ekspozycji wraz z wynikami. Czas ekspozycji w laboratorium sam w sobie nie jest prognozą trwałości użytkowej.
Czy czyszczenie laserowe może zapobiec korozji galwanicznej?
Czyszczenie laserowe może usunąć odpowiednie warstwy rdzy lub tlenków; nie eliminuje to obwodu galwanicznego ani nie przywraca utraconego metalu. Jeśli odsłonięta para materiałów, ścieżka elektryczna i elektrolit pozostaną, warunki do ponownego ataku również pozostaną.
Zastosowania czyszczenia laserowego firmy TRUMPF obejmują usuwanie rdzy i innych warstw przed łączeniem. Przydatność nadal zależy od podłoża, powłoki, osadów, geometrii i wybranego procesu. Wynik czyszczenia na jednym zespole nie przesądza o wyniku dla innego.
- Zachowaj dowody diagnostyczne. Zarejestruj miejsca dotknięte problemem i zbierz próbki potrzebne do zidentyfikowania przyczyny.
- Oceń powierzchnię i pozostały materiał. Zastosuj odpowiednią metodę próbnego czyszczenia i inspekcji. Oceń wszelkie wżery lub ubytki przekroju w odniesieniu do dopuszczalnych granic danego elementu.
- Usuń przyczynę i przywróć ochronę. Należy zająć się połączeniem, materiałami, zwilżaniem lub systemem ochronnym, a następnie zastosować i zweryfikować określoną naprawę lub wykończenie.
Opcje przygotowania powierzchni można znaleźć w artykule „ Usuwanie rdzy laserem” . Sam czysty wygląd nie jest dowodem na to, że część nośna lub ciśnieniowa nadaje się do ponownego użytku.
Oceń aplikację czyszczącą za pomocą Oceanplayer Laser. Udostępnij materiały bazowe, szczegóły powłoki, wyraźne zdjęcia, obszar dotknięty problemem i wymaganą powierzchnię końcową. Uwzględnij wszelkie ograniczenia dotyczące grubości pozostałej warstwy lub możliwości naprawy, które muszą być przestrzegane w procesie czyszczenia.
Omów swoją aplikację czyszczącą