Malzeme Bilgisi Prof. Dr. Akgün ALSARAN
Korozyon
İçerik
Elektrokimyasal reaksiyonlar Pil oluşumu
Korozyon miktarı
Anodik-katodik korozyon Korozyon türleri
Korozyon
Malzemelerin yapısı ve özellikleri çevre ile nasıl etkilenir?
Nem UV
ışınları
Deniz suyu Sıcaklık
Asit, baz
Korozyon
Metallerin çevreleriyle yaptıkları kimyasal ve/veya elektrokimyasal reaksiyonlar sonucu hasar görmeleri olayına korozyon denir. Reaksiyon türüne göre kimyasal ve elektrokimyasal olmak üzere iki çeşit korozyon türü vardır. Kimyasal korozyon metal ve alaşımların gaz ortamlar içerisinde oksitlemesidir (kuru korozyon). Elektrokimyasal korozyon ise sulu ortamlarda görülür.
Gerçekte iki korozyon türünde mekanizması elektrokimyasaldır.
Korozyon
Kimyasal korozyonun, nemli veya ıslak ortamın bulunamayacağı yüksekçe sıcaklarda, yani kuru ortamda oluşan korozyon olduğunu belirtmek gerekir. Hava veya diğer gaz ortamda olan bir korozyon türüdür. En yaygın örneği, yüksek sıcaklıklarda demir ve çelik malzemelerin yüzeyinde oluşan oksit (tufal) tabakalarıdır. Demir ve çelik malzemelerin paslanması ise bir ıslak korozyon türüdür, oluş mekanizması elektro kimyasal tabiatlıdır.
Tufal: (FeO + Fe2O3 + Fe3O4) ………. Kimyasal korozyon
Pas : Fe(OH)3, (kurutulmuş ise: FeOOH) ……….Elektro kimyasal korozyon
Çelik FeO Magnetit Hematit
Elektrokimyasal reaksiyonlar
Anot: Korozyona uğrayan malzeme oksidayon – elektronları verir M →Mn+ + ne−
Katot: Elektron dağıtım merkezi İndirgeme-elektron alır
Mn+ + ne− → M
2e + 2H+ → H2 (Hidrojen gazı oluşur) Katot yüzeyinde hidrojenin indirgenmesi
Elektronlar Anot
Katot Elektron transferi
Pil oluşumu
Kuru pil, elektrik yüklü parçacıkların (iyonların) hareketine izin veren elektrolitle (sıvı), elektrik akımı iletebilen iki elektrottan oluşur. Elektrotların her ikisi de elektrolitlerle temas halindedir. Pilin elektrik enerjisi iletebilmesi için karbon çubuk ve çinko kabın iletkenlerle birleştirilmesi gerekir. Bu sistemde korozyon olabilmesi için hem katı yol (elektrotları birbirine bağlayan dış bağlantı) hemde sıvı yolda (elektrolit) elektrik iletimi olmalıdır.
Katı yolda elektrik iletimi elektronlar vasıtasıyla olur. Elektronlar metal üzerindeki yüksek negatif yüklü bölgelerden düşük negatif yüklü bölgelere doğru tek yönlü hareket ederler. Bu hareket esnasında metal atomlarda bulunan + yüklü tanecikler hareketsidir. Yani elektrik iletilirken metal taşınımı olmaz ve kimyasal olayda meydana gelmez. İkinci durumda ise (sıvı yolda) elektrolitik iletkenlik denen olay gerçekleşir. Elektrik akımı burada elektrolit içindeki iyonlar vasıtasıyla gerçekleşir.
Anot Korozyona uğrayan malzeme
Katot Elektron dağıtım merkezi
Elektrolit
Dış devre e- akışı
Korozyon miktarı
W: Korozyon oranı, kaybedilen malzeme miktarı Z: Elektrokimyasal potansiyel dizi sabiti
I: Akım
A: Anot yüzey alanı
Anodik-katodik korozyon
Anodik Korozyon
Prensip: anot, korozyona uğrayan taraftır. Anodik reaksiyon sonucu metal iyonları
çözeltiye geçip metalbünyesini terk ederler. Böylece metal kaybı oluşur. Bu arada iyonlaşma sonucu atom gövdesinden ayrılarak açığa çıkan elektronlar metal bünyesinde kalır.
Prensip: elektronlar elektrolite (yani çözeltiye) geçmez.
M → M+ (metal iyonu) + e- (elektron)
Katodik Reaksiyonlar
Anodik reaksiyonda geride kalan elektronların, katot yüzeyine gelen katyonlarca harcandığı, yani iyon gövdesine alındığı reaksiyonlardır. Metal yüzeyinden alınan elektron ile çözeltideki metal iyonları arasındaki reaksiyon:
e- + M+ → M (Çözeltideki metal iyonlarının katotta çökelmesi) veya
2e- + 2 H+ → H2 (Katotta hidrojen gazının açığa çıkması)
Korozyon türleri
• Üniform korozyon Oxidation & reduction occur uniformly over surface.
• Seçimli korozyon Preferred corrosion of one element/constituent (e.g., Zn from brass (Cu-Zn)).
• Gerilmeli korozyon Stress & corrosion work together at crack tips.
• Galvanik
Dissimilar metals are
• Erozyon korozyonu
Break down of passivating layer by erosion (pipe
elbows).
Korozyon
türleri
• Yorulmalı kor..
• Taneler arası Corrosion along grain boundaries, often where special
• Çukurcuk
Downward propagation of small pits & holes.
Fig. 17.17, Callister 7e.
(Fig. 17.17 from M.G.
Fontana, Corrosion Engineering, 3rd ed., McGraw-Hill Book Company, 1986.)
Korozyon türleri
Üniform Korozyon
Metal yüzeyinde eşit kalınlıkta ve homojen dağılımlı olarak oluşur. En az korkulan korozyon türüdür.
Galvanik Korozyon
Galvanik korozyon. Farklı malzemeler (Soyluluk sırası: Al, Fe ve Cu) yaş ortamlarda daha hızlı korozyona uğrarlar. Yani birbiriyle tema halinde olan olan farklı türden malzemelerin aynı ortamda korozyona uğramasıdır.
Korozyon türleri
Galvanik Korozyon
Çukurcuk Korozyon
Metal yüzeyinde çok küçük bir bölgede çukur
Korozyon türleri
Çukurcuk Korozyon
Korozyon
Aralık Korozyonu
Makine parçalarının montajında kesinlikle yok edilemeyen dar bölgeler ve aralıklar içerisinde başlar. Cıvata yerine kaynak kullanmak sorunu çözer.
Korozyon türleri
Seçimli Korozyon
Alaşımlarda belirli bir metal veya faz üzerinde yoğunlaşarak öncelikle çözünmelerini sağlayan korozyon türüdür.
Tanelerarası Korozyon
Taneler arasında ortaya çıkan korozyon türüdür.
Korozyon türleri
Gerilmeli Korozyon
Gerilme ile korozyonun aynı zamanda malzemeye etkidiği korozyon türüdür. Metalde bulunan dış ve iç çeki gerilmeleri, herhangi bir şekilde ortaya çıkan çatlak başlangıcını korozif ortamda hızla daha büyük çatlak oluşumuna , yani çatlağın ilerlemesine götürür ve sonunda malzeme kırılır. Çeki gerilmeleri altında ve korozyon takviyeli gerçekleşen bu tür kırılmaların çatlağı genelde tane sınırlarını takip etmez.
Korozyon türleri
Yorulmalı Korozyon
Periyodik olarak yön değiştiren gerilmelerin korozif ortamlarda yol açtıkları hasardır.
kazımalı
Erozyonlu Korozyon
Malzeme yüzeyi ile ortam arasındaki bağıl hızın yüksek değerlere ulaştığı sistemlerde görülen korozyondur. Korozif çözeltilerin metal yüzeyinden hızla akması halinde korozyonun yanında erozyon oluşur. Buradaki ene önemli faktör akışkan hızıdır.
Korozyon türleri
Erozyonlu Korozyon
Filiform Korozyon
Kaplama altı korozyonudur.
Korozyondan korunma yöntemleri
1. Uygun Tasarım
• Galvanik hücre oluşumunu engellemek
• Anot alanını katottan büyük yapmak
• Sıvı sistemlerde daha çok kapalı hazuz yapmak
• Monte edilen ve bağlanan parçalarda aralık oluşumundan kaçmak
2. Uygun Malzeme Seçimi 3. İnhibitör Uygulamaları 4. Katodik Korumalar
5. Anodik Koruma ve pasifleşme
Korozyondan korunma
Uygun tasarım
Kağıt üzerinde yapılan gerekli değişiklikler, Mümkün olduğunca tek tip metalin kullanılması fiziksel (ısıl genleşme, elastisite modülü gibi) ve kimyasal (galvanik pil oluşumu gibi) problemleri azaltır.
Konstrüktif olarak aralıkların yok edilmesi, farklı metaller kullanılması zorunluğu olması halinde bunların birbirlerine karşı yalıtılması, kavitasyonu ve diğer aşınmaları önleyici uygulamalar, gerilmeli korozyon nedeni olabilecek çekme gerilmeleri ve asitli ortam yönünden alınabilecek önlemler tasarım aşamasında etkili olarak gerçekleştirilebilir.
Önlenemeyen korozyonun daha tasarımdayken malzeme kalınlığına
Elektrik geçmeyecek şekilde tasarım
Korozyondan korunma
Korozyondan korunma
Uygun Malzeme Seçimi
Malzemenin çalıştığı ortama dayanıklı olması, malzemenin kendinin ve de ortamın zarar görmemesi bakımından ilk akla gelen önlemdir. Birbirleriyle temas halindeki metallerin, galvanik dizide (elektro kimyasal potansiyel dizi) birbirlerinden çok uzak olmaması gerekir. Bu durumun zorunlu olduğu yerde iki metalin birbiriyle elektrik kontağı olmayacak hassasiyette yalıtılması gerekir. Malzeme seçimi esaslarında korozyon yönü, diğer kriterlerle beraber düşünülmesi gereken bir husustur.
Mekanik zorlamalar, ekonomik koşullar veya teknolojik imkanlar malzeme seçimini
ideal bir şekilde gerçekleştirmeyebilir. Fakat bilinçli olarak bütün teknik olanakların
Korozyondan korunma
İnhibitör Kullanımı
İnhibitör, elektrolite (ortam) karıştırılarak korozyonun önlenmesi veya azaltılması gerçekleştirilen katı veya sıvı maddelerdir. Organik veya inorganik kökenli olabilirler.
Ortamla metal arasında molekül kalınlığında bir nevi yalıtkan tabaka oluştururlar ve anotta iyon değişimini, katotta elektron değişimini engellerler. Metal yüzeyini kapatmaları adsorbtif veya kemosorbtif niteliktedir. Metalin inhibitörlerce etkili olarak kapatılabilmesi için yüzeyinin metalik olarak temiz olması; pas, kir, yağ vs.
gibi maddelerden arındırılmış olması şartı vardır. Her inhibitör, her metal ve her
ortam için uygun değildir İnhibitör oranı da korumada etkili bir parametredir.
Korozyondan korunma
Katodik Koruma -Kurban Anot
Metali korozyona karşı koruyabilmek için, onun katot yapılması yeterli olur. Anot için de onun işlevini görecek, fakat çözeltiye geçmesi, yani korozyona uğraması göze alınan bir diğer metal ön görülmek zorundadır. Bu kontrollü olarak gözden çıkarılan metallere (Zn, Mg, Al alaşımları) kurban anot adı uygun görülmüştür. Kurban anodun görevi, kendi iyonlarının çözeltiye geçmesiyle zenginleşen elektronlarını bir kablo üzerinden korunacak
Korozyondan korunma
Katodik Koruma -Yabancı akım
Kurban anottan katoda gelen elektronların bir doğru akım elektrik kaynağından temin edilmesi esasına dayanır. Bu durumda katot olarak devreye sokulan malzemeye yabancı akım kaynağı vasıtasıyla kontrollü olarak elektron (amper) verilir ve çözeltiye geçememesi sağlanır. Yabancı akım yöntemiyle katodik koruma işlemleri daha profesyonelcedir ve gelişmiş sanayilerde yaygın olarak uygulanır.
Bütün yeraltı boru hatları (içme suyu şebekeleri, petrol ve doğal gaz boru hatları vs), toprak altı depolar ve diğer toprak ve denizaltı aparatlar hep bu yöntemle korunur. Bu iki katodik koruma yöntemi (aktif koruma) de, yüzeyleri boyanmış ve yalıtılmış metallere takviye olarak uygulanır (pasif koruma), yoksa akım gereksinimi (veya kurban anot gereksinimi) büyük boyutlara ulaşır ve çok pahalı
olur. Gemi içindeki balast tanklarının (deniz suyu
doldurulup yük dengesinin sağlandığı tanklar) yabancı akımla ve gemi gövdesinin kurban anotla korunması.
Korozyondan korunma
Anodik Koruma
Anodik korumanın esası, oksitlenerek (yükseltgenme) korozyon ürünü oluşturan ve bu nedenle de pasifleşebilen metallerin (özellikle paslanmaz çelikler) pasifleşmesini garantiye almakta yatar.
Pasifleşebilen metal sıfatını almış metaller, her ortamda aynı özelliği taşımazlar. Kendilerinde oluşan korozyon potansiyeline göre aktif oldukları gerilimler ve pasif oldukları gerilim bölgeleri vardır. Bu gerilim bölgelerinin bazı kısımları delik korozyonunu teşvik edici etki yapar. Hatta yüksekçe sayılabilecek polarizasyonlarda (paslanmaz çeliklerde örneğin > 1,0 V) hızlı bir korozyon olayı başlar. Burada korunacak malzemenin en uygun anodik potansiyelde tutulması esası vardır. Bu potansiyel bazı paslanmaz çelikler ve ortamı için örneğin 200 - 300 mV gibi olabilir. Böylece korunacak malzeme sürekli olarak pasif bölgede tutulur ve kendi kendini koruması sağlanır.
Oksidasyon
Malzemenin veya daha uygun bir deyişle metalin bulunduğu ortamın elektriği iletmeme durumunda karşılaşılmaktadır.
Kuru gaz ortamında metallerin oksitlenmesi veya elektrolitik özelliği bulunmayan sıvılarda çözünmesi gibi olaylar bu tip korozyona örnektir.
Yüzeyde oluşan bir oksidin koruyucu olup olmadığını anlamak için Pilling-Bedowd oranına bakılır. Bu oran RP-B=M.d/a.m.D
Burada M, oksitin molekül ağırlığı, d metalin özgül ağırlığı, D oksitin özgül ağırlığı, m metalin özgün ağırlığı ve a oksit içindeki metal atom sayısıdır.
• P-B Oranı< 1 yetersiz oksit tabakası metali kaplayamaz ve bundan dolayı metal korunmaz. (Na, K, Li gibi)
• 1 < P-B Oranı <1.5 İnce oksit tabakası metali mükemmel bir şekilde korur ve oksidasyonun ilerlemesine izin vermez (Ti, Al, Cr gibi)
• P-B Oranı>1.5 Kalın oksit tabakası gevrek şeklide kırılır ve oksidasyonun hızla devam etmesine sebep olur. (Fe, V, W gibi)
