Биметаллическая коррозия

Нержавеющая сталь болты и гайки с коррозией шайбы на опорной плите из оцинкованной стали
Система бытовой питьевой воды : подводящая линия, идущая снизу, состоит из медной трубы. Биметаллическая коррозия привела к точечной коррозии в соединительном элементе ( тройнике ) в нижнем левом углу, который изготовлен из оцинкованной стали.

Биметаллическая коррозия (также контактная коррозия , гальваническая коррозия ) согласно DIN EN ISO 8044 - это коррозия, вызванная электрохимической реакцией двух различных металлических материалов или других электронопроводящих твердых тел. Предпосылкой является разное положение в электрохимическом ряду , разная коррозионная стойкость материалов, их прямой контакт и обычное смачивание водной коррозионной средой . Это создает элемент гальванической коррозии , сравнимый с короткозамкнутой батареей : в результате выработки электричества менее благородный (т.е. менее устойчивый к коррозии) материал разрушается электрохимическим удалением .

Этот вид коррозии заметен в быту, например

  • при использовании винтов, гаек, гвоздей или заклепок из менее благородных металлических материалов на компонентах из нержавеющей стали , латуни или меди
  • когда медные провода были зажаты вместе с алюминиевыми проводами для проведения электрического тока. Кроме того, на коррозию влияют интерметаллические соединения , образующиеся в результате контакта металлов.
  • Когда в водопроводной трубе или системе отопления используются различные металлические материалы (например, в случае труб теплообменника в котле, линиях подачи, радиаторах и солнечных коллекторах).
  • Поэтому медный листовой металл на крышах всегда крепится медными гвоздями.

Хотя причины были известны с начала XIX века, биметаллическая коррозия неоднократно приводила к повреждениям и несчастным случаям.

реакция

Биметаллическая коррозия железа при контакте с медью

Два разных металла в электрическом контакте находятся в жидкой среде, поскольку электролит может действовать на электроды как обычная вода с растворенными солями . Из - за различные электродные потенциалы , электрическое напряжение нарастает между ними, так что электроны из самых атомов менее благородного металл , мигрирует в более благородный металл , а оттуда приводит к реакции с электролитом. В свою очередь, ионы менее благородного металла реагируют с электролитом. Короткое замыкание между металлами и ионным током в электролите создает замкнутую цепь , которая определяет степень окислительно - восстановительной реакция : анод окисляется и постепенно разрушается, в то время как катод уменьшается , и , таким образом , защищен.

Электрическое напряжение между материалами зависит в первую очередь от разницы их стандартных потенциалов, что можно увидеть из электрохимического ряда , а также от концентраций компонентов раствора ( уравнение Нернста ). Коррозия зависит от фактически протекающего тока , то есть от плотности тока по отношению к поверхностям . Постоянный ток от внешнего источника может усилить этот ток, что важно в микроэлектронике .

Для биметаллической коррозии должны быть выполнены три предварительных условия: электрический контакт, электролитическое соединение и разность потенциалов между двумя металлами. Аноды с большой площадью менее подвержены коррозии, чем катоды с малой площадью, чем наоборот. Большая разность потенциалов, увеличивающееся соотношение площадей благородного материала к основному, более высокие температуры и повышенная агрессивность электролита (см. Значение pH ) усиливают эффект коррозии.

Дальнейшие проявления

Биметаллическая коррозия может также возникать между компонентами сплава, если выделения на границах зерен кристаллов образуют локальный элемент или микроэлемент на поверхности . Примером могут служить графит и железо в чугуне : по сравнению с железом графит действует как благородный металл и может привести к спонгиозу .

Если режущие инструменты используются поочередно для благородных и основных материалов, основные материалы могут подвергнуться коррозии из- за оставшихся или вдавленных частиц, таких как шлифовальная пыль .

А «унос» материала также является основой коррозии, которая должна быть предотвращена с помощью так называемого правила потока в соответствии с DIN 1988-7 для труб: Если трубы , изготовленные из различных материалов соединены между собой и в достаточном количестве кислорода в трубе, как и в случае с питьевой водой , например , осаждают растворенные ионы меди на оцинкованной стали и тем самым вызывают биметаллическую коррозию. Чтобы предотвратить это, менее благородные металлы должны располагаться перед более благородными металлами в направлении потока.

защита

Существует две стратегии защиты от биметаллической коррозии: либо делается попытка предотвратить электролиз (пассивная защита от коррозии ), либо она используется контролируемым образом (активная защита от коррозии).

Профилактика электролиза

Разъединение фитингов для гальванической изоляции трубопроводов : латунная шейка с правой стороны не имеет токопроводящего соединения с соединительными деталями, а гайка из хромистой стали слева, так как два черных непроводящих уплотнительных кольца предотвращают контакт.

Электролиз не может происходить, если электрически проводящее соединение между материалами предотвращается изоляцией или контакт между металлом и электролитом предотвращается уплотнением .

Непосредственный контакт между трубопроводами из разных материалов предотвращается, например, с помощью так называемых разделительных или изолирующих фитингов или разделительных резьбовых соединений. Точно так же существуют соединители алюминий-медь для электроустановок. Они предотвращают разложение алюминия, что приводит к увеличению электрического сопротивления .

Защита от токопроводящих жидкостей ( электролитов ) может быть обеспечена покрытием . Кроме того, химические вещества ( ингибиторы коррозии ) могут снизить эффективность электролитов .

Если электролит образуется под действием влажности воздуха , можно принять меры для осушения воздуха или предотвращения конденсации .

Выбрав соответствующий материал, существующие разности потенциалов можно уменьшить с самого начала (см. Правило потока для строительства трубопровода).

Покрытие слоем благородного металла эффективно только до тех пор, пока этот слой остается неповрежденным; Если повреждение незначительное, коррозия наступает сильнее. Это проблема, например, с белой жестью контейнеров для пищевых продуктов или с золотым покрытием в стоматологической технике . С другой стороны, при активной защите стали менее благородным цинком (см. Следующий раздел), незащищенная сталь защищена от коррозии, даже если слой цинка слегка поврежден.

Активная защита от коррозии

Корродированный расходный анод на корпусе корабля

Контролируемое использование электролиза происходит с «активными» защитными мерами:

  • При использовании расходуемого анода , например, из цинка или магния , биметаллическая коррозия этим ограничивается. Таким образом, защищаемый материал становится катодом ( катодная защита ). Жертвенные аноды обычно используются на внешней обшивке судов, а также на внутренних стенках трубопроводов и резервуаров с жидкостью.
  • Кроме того, в результате активного покрытия из менее благородного металла (например, оцинкованной стали) металл с покрытием подвергается разрушению только тогда, когда покрытие полностью корродирует.
  • На аноды с наложенным током подается постоянное электрическое напряжение для компенсации разности потенциалов, связанной с материалом. Их часто используют в больших емкостях для жидкости.

Пассивация

Пассивация представляет собой смесь обеих стратегий : коррозия допускается или усиливается, если она вызывает образование защитного оксидного слоя на менее благородном металле. Защищаемый материал состоит из анода и образует оксидный слой, который может быть более устойчивым к коррозии, чем многие другие благородные металлы. Для расчета этого защитного эффекта используется соотношение Пиллинга-Бедворта . Хромистая сталь защищена тем, что ее легирующий компонент, хром, образует оксидный слой. Пассивацию также можно создать целенаправленно: анодирование - это обычная защита от коррозии, особенно для легких металлов, таких как алюминий и его сплавы . Благодаря более стабильному оксидному слою титан используется при высоких нагрузках .

Подходящие комбинации материалов

Крепеж в строительстве

Если металлический компонент менее благороден и в то же время имеет меньшую площадь поверхности, чем соседний компонент, он обычно подвержен риску коррозии.

В строительстве больше, чем в других областях техники, можно использовать практические правила. Следующие рекомендации применимы в следующих условиях:

  • Первый упомянутый материал в каждом случае относится к винтам и другим крепежным деталям и фитингам, площадь поверхности которых по крайней мере в 10-40 раз меньше, чем принимающий компонент.
  • Умеренно агрессивная коррозионная среда (конденсат, дождевая вода и т. Д.). Вблизи морской воды могут потребоваться дополнительные меры защиты.
  • Умеренная температура окружающей среды и материала

Нержавеющая сталь может хорошо сочетаться с более крупными компонентами из меди , латуни и стали , а также очень хорошо с более крупными компонентами из алюминия .

Алюминий хорошо сочетается с более крупными компонентами из нержавеющей стали, меди и латуни. Это обычно также относится к более крупным компонентам, изготовленным из чистой стали.

Медь хорошо сочетается с более крупными деталями из латуни. Это также обычно относится к более крупным компонентам из нержавеющей стали, алюминия и стали.

Латунь хорошо сочетается с более крупными деталями из меди. Это также обычно относится к более крупным компонентам из нержавеющей стали, алюминия и стали.

Оцинкованная, а затем черная пассивированная сталь хорошо сочетается с синей и желтой пассивированной оцинкованной сталью. Это обычно также относится к более крупным компонентам, изготовленным из чистой стали. Комбинация с более крупными компонентами из меди, латуни, алюминия и нержавеющей стали не рекомендуется.

Оцинкованная, а затем желтая пассивированная сталь может хорошо сочетаться с более крупными компонентами, изготовленными из синей пассивированной оцинкованной стали. Это обычно также относится к более крупным компонентам, изготовленным из стали без покрытия и из оцинкованной стали, пассивированной в черный цвет. Комбинация с более крупными компонентами из меди, латуни, алюминия и нержавеющей стали не рекомендуется.

Оцинкованную, а затем пассивированную в синий цвет сталь, как правило, можно комбинировать с более крупными компонентами из чистой стали, а также с черной и желтой пассивированной оцинкованной сталью. Комбинация с более крупными компонентами из меди, латуни, алюминия и нержавеющей стали не рекомендуется.

Комбинация голой стали с более крупными компонентами из оцинкованной стали не рекомендуется, и следует избегать комбинации с более крупными компонентами из меди, латуни, алюминия и нержавеющей стали.

Монтаж сантехники

Правило потока для установок питьевой воды

В трубопроводах , по которым проходит вода, богатая кислородом, такая как питьевая вода , например, ионы меди, растворенные в медных трубах, могут переноситься водой и затем оседать на оцинкованной стали и вызывать точечную коррозию .

Так называемое правило потока согласно DIN 1988-7 гласит, что в направлении потока среды необходимо использовать все больше благородных металлов.

Особенно важно убедиться, что за медными трубами в направлении потока (эмалированный резервуар для горячей воды!) Не проложены стальные или оцинкованные стальные трубы. С другой стороны, медные трубопроводы за оцинкованными трубами, как правило, не представляют проблемы. Если нельзя исключить обратный поток из-за колебаний давления, эти два материала не следует соединять напрямую, а лучше разделять переходником из бронзы или латуни или, что лучше, разделительным винтовым соединением.

Отопительные контуры

В закрытых отопительных контурах , то насыщение кислорода в воде является низким. При использовании подходящих материалов электрохимическая коррозия почти не возникает при использовании кислорода, содержащегося в воде. Напротив, в ранее использовавшихся открытых системах отопления и через не пропускающие кислород пластиковые трубы кислород мог неоднократно попадать в контур.

В отопительных контурах не следует использовать стальные трубы с внутренним гальваническим покрытием, так как образующиеся продукты реакции откладываются в системе отопления в виде осадка. Напротив, зарекомендовала себя комбинация труб из чистой стали и меди. Использование компонентов из латуни , бронзы , нержавеющей стали и алюминия обычно возможно без каких-либо проблем в контуре отопления. Однако использование алюминия требует контроля и контроля pH .

сказка

Использование биметаллической коррозии для выработки электричества: Алессандро Вольта сложил пластинки из меди и цинка и слой электролита друг на друга, образуя гальванический столб .

Биметаллическая коррозия так же стара, как обработка металлов , но с ней можно систематически бороться только после того, как станет понятен механизм ее образования. Римские деревянные корабли были около 500 г. до н.э. До н.э. (см. Корабли древности ) обтянуты свинцовой кожей, скрепленной медными гвоздями. В результате, биметаллические коррозии разработаны между полу- драгоценных медью и основным свинцом в сильно электролитической морской воде . Есть данные о медных гвоздях, покрытых свинцом, которые, по-видимому, решают эту проблему.

Первое исследование биметаллической коррозии было заказано Королевским флотом в 1763 году, потому что железные гвозди, которые использовались для закрепления медных пластин на корпусе фрегата HMS Alarm, корродировали необычно быстро. Однако причины не могут быть понятно , до создания теории электричества по Алессандро Вольта и электролиз по Александру фон Гумбольдту в 1795 году. Иоганн Вильгельм Риттер заметил в 1798 году, что серия напряжений металлов идентична серии их коррозионной стойкости. Только британский химик Хамфри Дэви смог основать свои эксперименты на теоретических соображениях и в 1824 году обнаружил, что медь на корпусах военных кораблей может быть защищена путем прикрепления цинковых и чугунных пластин в качестве расходных анодов. В 1833 году его ученик Майкл Фарадей нашел основу расчетов для улучшения защиты от коррозии, установив, что масса корродированного вещества пропорциональна электрическому заряду (см . Законы Фарадея ). Аноды с наведенным током , для которых требуется подача электроэнергии , только постепенно получили признание с начала 20 века.

Во время ремонта Статуи Свободы к 100-летнему юбилею в середине 1980-х было обнаружено, что покрытие из шеллака и асбеста , которое должно было электрически изолировать железный каркас от его медной оболочки, стало пористым и предоставило место для электролитов, так что биметаллическая коррозия была хорошо развита. .

В случае с вертолетом НАТО NH90 было обнаружено, что графитоподобные углеродные волокна в пластике, армированном углеродным волокном, ведут себя как благородный металл и приводят к биметаллической коррозии при контакте с металлами.

литература

  • DIN EN ISO 8044: 2015-12 Коррозия металлов и сплавов - Основные термины и определения .
  • Гельмут Кеше: Коррозия металлов: физико-химические основы и современные проблемы . 3-е издание, Springer, Берлин, 2011 г., ISBN 978-3642184284 .
  • Эльсбет Вендлер-Калш, Хуберт Графен: Теория коррозионных повреждений . Springer, Берлин, 2012 г., ISBN 978-3642304316 .

веб ссылки

Commons : Биметаллическая коррозия  - Коллекция изображений, видео и аудио файлов

Индивидуальные доказательства

  1. ↑ См. Р. Шнайдер и др.: Долгосрочное поведение соединений алюминия и меди в электроэнергетике , в: Металл , 63: 2009, № 11, стр. 591–594, URL: https://www.kupferinstitut.de /fileadmin/user_upload/kupferinstitut.de/de/Documents/techUnterstuetzung/KS/Artikel/2009/591_Cu_Schneider.pdf , по состоянию на 2 сентября. 2018.
  2. ↑ Friedrich Ostermann: Application Technology Aluminium , 3-е издание, Springer, Wiesbaden 2014, p. 233. ISBN 978-3-662-43806-0
  3. ↑ Клаус Мёрбе, Вольфганг Моренц, Ханс-Вернер Польманн, Гельмут Вернер: Практическая защита от коррозии: Защита от коррозии водонесущих систем . Springer, Берлин, 2013 г., стр. 25. ISBN 978-3709188941
  4. ↑ Герберт Бенеке: Лексикон коррозии и защиты от коррозии . 2-е издание, Vulkan, Essen 2000, стр. 251. ISBN 3-8027-2918-8
  5. ^ Франц-Йозеф Хайнрихс, Бернд Рикманн: Технические правила для установок питьевой воды: Установка. Комментарий к DIN EN 806-4. Beuth, Berlin 2012, p. 64. ISBN 978-3410224891
  6. ^ Генрих Ф. Капперт, Карл Эйхнер: Стоматологические материалы и их обработка. 1. Основы и обработка. Thieme, Штутгарт 2005, стр. 168. ISBN 978-3131271488
  7. ^ Андреас Калвейт, Кристоф Пол, Саша Петерс, Райнер Вальбаум: Справочник по техническому дизайну продукции: Материалы и производство . Springer, Берлин, 2006 г., стр. 532. ISBN 978-3540214168
  8. ↑ Список рекомендуемых сочетаний материалов от производителя строительных материалов Würth: https://wueko.wuerth.com/medien/produktinfo0000/pdfNEW/07570.pdf , по состоянию на 14 апреля 2018 г.
  9. ↑ Объяснение правила потока на bosy-online.de [1] . Проверено 13 мая 2019 года.
  10. ↑ a b Вальтер Бекманн, В. Швенк: Справочник по катодной защите: теория и практика методов электрохимической защиты . 4-е издание, Wiley, Weinheim 1999, стр. 2-4. ISBN 978-3527625734
  11. ^ KR Trethewey, Дж. Чемберлен: Коррозия: для студентов, изучающих науку и технику . Лонгман, Харлоу 1992, стр. 4-5. ISBN 978-0582450899
  12. ↑ Роберт Baboian, Е. Blaine Кливер Е. Лоуренс Bellante: Статуя Свободы реставрации: Материалы Статуя Свободы, сегодня на завтра конференции, 20-22 октября 1986 . Национальная ассоциация инженеров-коррозионистов, Нью-Йорк 1990, стр. 94. ISBN 978-1877914126
  13. ↑ http://augengeradeaus.net/2014/07/korrosion-beim-niederlaendischen-marine-nh90-der-bericht-zum-nachlesen/comment-page-1/ по состоянию на 4 июня 2016 г.