U osnovnom članku objašnjeno je da korozija nastaje kada metal, voda, kisik i elektrolit zajedno formiraju uvjete za propadanje metala. Ovdje idemo korak dublje: na površini čelika nastaju mikroskopska anodna i katodna područja. Ta područja zajedno čine malu elektrokemijsku ćeliju.
Važno je razumjeti da jedan komad čelika ne mora biti spojen s drugim metalom da bi korodirao. Dovoljno je da na njegovoj površini postoje male razlike u sastavu, naprezanju, hrapavosti, oksidima, naslagama, dostupnosti kisika ili debljini vlage. Zbog tih razlika jedno područje postaje anoda, a drugo katoda.
Zašto čelik uopće želi korodirati?
Željezo se u prirodi najčešće nalazi u obliku oksida i drugih spojeva. Da bismo iz rude dobili metalno željezo i čelik, u proces proizvodnje ulaže se velika količina energije. Metalni čelik zato je energijski manje stabilan od svojih prirodnih oksidnih oblika.
Korozija je povratak prema stabilnijem stanju. U praksi to znači da se željezo iz metalnog oblika postupno pretvara u ione i okside, odnosno u korozijske produkte koje prepoznajemo kao hrđu.
Jednostavno rečeno: čelik je tehnički koristan oblik željeza, ali hrđa je za željezo prirodnije i stabilnije stanje.
Anoda: mjesto gdje metal nestaje
Anoda je područje na kojem željezo gubi elektrone i prelazi iz metalnog stanja u ionsko stanje. To je stvarni gubitak metala.
Ova reakcija znači da atom željeza napušta metalnu rešetku i prelazi u tanki sloj elektrolita kao ion Fe²⁺. Elektroni ostaju u metalu i putuju prema katodnom području. Zato se korozija, odnosno otapanje metala, događa na anodnim mjestima.
Katoda: mjesto gdje se troši kisik
Elektroni nastali na anodi moraju se negdje potrošiti. U neutralnim i slabo alkalnim uvjetima, kakvi su česti kod atmosferske korozije čelika, najvažnija katodna reakcija je redukcija kisika.
Kisik iz zraka otapa se u tankom filmu vlage na površini metala. Kada dođe do katodnog područja, prima elektrone i nastaju hidroksidni ioni OH⁻. Bez katodne reakcije anodno otapanje ne može dugo trajati jer se elektroni ne bi imali gdje trošiti.
Kako nastaje hrđa?
Ioni željeza nastali na anodi reagiraju s hidroksidnim ionima nastalim na katodi. Tako nastaju prvi korozijski produkti.
Željezov(II) hidroksid zatim se dalje oksidira u prisutnosti kisika i vode. Nastaju željezovi oksidi i oksihidroksidi, primjerice FeOOH, Fe₂O₃ · nH₂O i Fe₃O₄. Zbog toga hrđa nije jedna jedina kemijska tvar, nego smjesa više korozijskih produkata.
Boja hrđe može biti narančasta, crvena, smeđa ili tamna, ovisno o količini kisika, vlage, soli, temperaturi i vremenu izlaganja.
Zašto hrđa ne štiti čelik?
Neki metali stvaraju kompaktne oksidne slojeve koji ih štite. Aluminij stvara vrlo tanak i prionjiv oksidni film, a nehrđajući čelik se oslanja na pasivni sloj bogat kromom. Kod običnog ugljičnog čelika situacija je drugačija.
Hrđa je uglavnom porozna, neujednačena i slabo prionjiva. U njoj se zadržava vlaga, a kroz pukotine i pore mogu prolaziti kisik i ioni. Zbog toga čelik može nastaviti korodirati ispod već formirane hrđe.
Uloga elektrolita: zašto je vlaga opasna?
Elektrolit je tanki sloj vode koji sadrži otopljene ione. To ne mora biti lokva vode. Dovoljna je rosa, kondenzat, vlažna prašina, morska sol na površini ili voda zadržana u procijepu.
Što je elektrolit vodljiviji, elektrokemijska ćelija lakše radi. Zato soli, posebno kloridi, ubrzavaju koroziju. Kloridi povećavaju električnu vodljivost vlage na površini i mogu destabilizirati zaštitne oksidne slojeve.
Diferencijalna aeracija: zašto spojevi i procijepi često prvi stradaju?
Na prirubnicama, vijčanim spojevima, ispod brtvi, podloški, naslaga prljavštine ili oštećenog premaza često postoji razlika u dostupnosti kisika. Površina koja ima manje kisika obično postaje anodna i na njoj se razvija lokalna korozija.
To objašnjava zašto korozija često počinje upravo na mjestima koja se teško čiste i teško kvalitetno premazuju: navoji, rubovi matica, oštri bridovi, prijelazi, procijepi i zone oko brtvi.
Kakve veze imaju zaštitni premazi?
Zaštitni premaz nije samo dekorativni sloj. Njegova osnovna funkcija je usporiti ili spriječiti dolazak vode, kisika i agresivnih iona do površine čelika. Time se prekida ili jako usporava elektrokemijski proces.
Ako je površina loše pripremljena, ako su soli ostale na podlozi, ako rubovi nisu zaobljeni, ako je debljina filma premala ili ako postoje pore i oštećenja, korozijska ćelija može nastati ispod premaza. Tada se korozija više ne vidi odmah, ali se može širiti ispod filma i dovesti do podizanja, mjehurenja ili ljuštenja premaza.
Zaključak
Elektrokemijska korozija čelika temelji se na istovremenom radu anodnih i katodnih područja. Na anodi željezo prelazi u ione i metal se troši. Na katodi se najčešće reducira kisik. Elektrolit omogućuje prijenos iona, a metal omogućuje prijenos elektrona.
Kada se taj krug zatvori, korozija počinje. Zbog toga su u praksi presudni priprema površine, uklanjanje soli, kontrola vlage, kvalitetna obrada rubova, dovoljna debljina premaza i redovita inspekcija. Cilj nije samo “obojati čelik”, nego prekinuti uvjete koji omogućuju rad korozijske ćelije.
Literatura
- Mars G. Fontana, Corrosion Engineering, 3rd Edition.
- R. Winston Revie, Uhlig’s Corrosion Handbook.
- Denny A. Jones, Principles and Prevention of Corrosion.
- Herbert H. Uhlig, R. Winston Revie, Corrosion and Corrosion Control.
- Philip A. Schweitzer, Corrosion Engineering Handbook / The Corrosion Handbook.
- ISO 8044 — Corrosion of metals and alloys — Vocabulary.
- ISO 12944 — Paints and varnishes — Corrosion protection of steel structures by protective paint systems.
Autor
Branimir Krpez
Tehničar kvalitete specijaliziran za antikorozivnu zaštitu, zaštitne premaze i kontrolu kvalitete.
Na Zincor Systems objavljujem stručne članke, tehničke analize i studije slučaja s ciljem dijeljenja praktičnog znanja iz područja korozije, zaštitnih premaza i zaštite metala.