Fundamenten van IJzer en Staal Corrosie: Oorzaken, Effecten en Preventie

Basise Concepten van Corrosie van IJzer en Staal

IJzer- en staalmaterialen in praktijkgebruik zijn normaal blootgesteld aan corrosie in atmosferische en waterige omgevingen. Corrosie is de achteruitgang van deze materialen door chemische interactie met hun omgeving. Het is een van de problemen die frequant voorkomen in de huidige geïndustrialiseerde samenleving. Volgens ISO 8044:2010 is 'corrosie de fysico-chemische interactie tussen een metaal en zijn omgeving, wat resulteert in veranderingen in de metaaleigenschappen en wat kan leiden tot significante functionele achteruitgang van het metaal, de omgeving, of het technische systeem waarvan zij een deel vormen'.

Moderne corrosiewetenschap startte in de early twintigste eeuw met het lokale celmodel en het corrosiepotentieelmodel. De twee modellen zijn samengevoegd in de moderne electrochemische theorie van corrosie, die metallische corrosie beschrijft als een gekoppelde electrochemische reactie bestaande uit anodische metaaloxidatie en kathodische oxidantreductie. De electrochemische theorie is toepasbaar niet alleen op natte corrosie van metalen bij normale temperatuur maar ook op droge oxidatie van metalen bij hoge temperatuur.

IJzer- en staalmaterialen corroderen in een verscheidenheid aan gasvormige en waterige omgevingen. De meest voorkomende corrosie van ijzer en staal vindt plaats in waterige oplossing en in vochtige lucht in de atmosfeer. In het algemeen produceert metallische corrosie van ijzer en staal in de initiële fase oplosbare metaalionen in water, en daarna ontwikkelen de metaalionen zich tot vaste corrosieneerslagproducten zoals metaaloxide en hydroxide.

Thermodynamische Achtergrond

IJzer en staal komen in de natuur voor als ertsen. Het productieproces van het omzetten van deze ertsen in metalen omvat de invoer van energie. IJzer- en staalmaterialen kunnen dus beschouwd worden als in een metastabiele toestand en ze neigen hun energie te verliezen door terug te keren naar verbindingen min of meer gelijk aan hun oorspronkelijke toestand. De materialen corroderen omdat ze chemisch onstabiel zijn in natuurlijke omgevingen – lucht, grond, en water. Tijdens de corrosiereactie wordt de energie toegevoegd bij productie vrijgegeven, en het metaal keert terug naar zijn oxidetoestand. Aangezien de meeste metaalverbindingen, en met name corrosieproducten, weinig mechanische sterkte hebben, is een zwaar gecorrigeerd stuk staalmateriaal redeloos voor zijn oorspronkelijke doel.

Virtueel alle corrosiereacties zijn electrochemisch van aard. Op anodische plaatsen op het oppervlak gaat het staal in oplossing als ferro-ionen, wat de anodische reactie vormt. Naar gelang ijzeratomen oxideren tot ionen, geven ze elektronen vrij wier negatieve lading snel opbouwt in het metaal en verdere anodische reactie, of corrosie, voorkomt. Daarom gaat deze oplossing alleen door als de vrijgegeven elektronen kunnen passeren naar een plaats op het metaaloppervlak waar een kathodische reactie mogelijk is. Op een kathodische plaats reageren de elektronen met een reduceerbaar component van het elektrolyt en worden ze zelf uit het metaal verwijderd. De snelheden van de anodische en kathodische reacties moeten equivalent zijn volgens de wetten van Faraday, bepaald door de totale stroom van elektronen van anoden naar kathoden, de 'corrosiestroom' genoemd.

Er is een onderscheid tussen typen corrosie die de interactie tussen het metaal en de omgeving beschrijft, en vormsoorten corrosie die het fenomenologische uiterlijk beschrijft.

Chemische Reactie

Dit is een typische chemische corrosiereactie die optreedt bij hoge temperaturen, waar het metaal reageert met hete gassen en een oxidelag vormt.

Metallo-fysische Reactie

Een voorbeeld van de metallo-fysische reactie is de verbrokkeling veroorzaakt door waterstof die in het metaal diffuseert, mogelijk leidend tot uitval van een component. Verbrokkeling kan het resultaat zijn van een onzorgvuldig productieproces. Het kan ook geïnitieerd worden door corrosieprocessen (metaaloplossing) zoals corrosie-geïnduceerde waterstof-geassisteerde scheurvorming.

Electrochemische Reactie

Dit is het meest voorkomende type corrosiereactie. De reactie impliceert een elektrische uitwisseling via elektronen in het metaal en ionen in een geleidend elektrolyt, zoals een waterfilm op het oppervlak.

Aangezien de corrosiestroom ook door het elektrolyt moet stromen door ionen geleiding, beïnvloedt de geleidbaarheid van het elektrolyt de manier waarop corrosiecellen opereren. Het corroderende staalstuk wordt beschreven als een 'gemengde elektrode' omdat gelijktijdige anodische en kathodische reacties op zijn oppervlak plaatsvinden. De gemengde elektrode is een complete electrochemische cel op één staaloppervlak.

In de omgeving vindt het corrosieproces normaal plaats in waterige oplossingen en is dus electrochemisch van aard. De vier vereisten voor de vorming van een corrosiecel zijn: (i) anode (corrodeert), (ii) kathode (beschermd), (iii) elektrolyt (normaal grond of water), en (iv) metaal terugweg (staalproduct).

Corrosie omvat de ionisatie van metaalatomen en het verlies van deze ionen in oplossing of in een corrosieproduct. Aangezien de ionisatiereactie het opgeven van elektronen betekent, moet een stroom van elektronen weg van de plaats van deze reactie optreden om een opbouw van negatieve lading te voorkomen. Dus corrosie is een electrochemische reactie. De plaats waar het metaalverlies optreedt heet de anode, of anodische regio, en de elektronen stromen door het metaal naar een plaats, een kathode genoemd, waar ze verbruikt worden in een kathodische reactie.

De anodische reactie is normaal Fe = Fe²⁺ + 2e⁻ en de kathodische reactie, in aanwezigheid van water en voldoende zuurstof, is normaal 2H₂O + O₂ + 4e⁻ = 4OH⁻. Het corrosieproduct, roest, vormt uit Fe²⁺ + 2OH⁻ = Fe(OH)₂.

Het eigenlijke electrochemische mechanisme kan gewaardeerd worden als men overweegt hoe een roestput vormt. Een put begint bij een oneffenheid op het oppervlak, zoals een verontreinigingsdeeltje, en de bovenstaande reacties treden op. De putvormige geometrie ontstaat omdat de anodische reactie doorgaat onder het roestbedekking. Fig. 1 toont het corrosiemechanisme.

Fig. 1 Corrosiemechanisme

De gevolgen van corrosie zijn talrijk en gevarieerd en de effecten hiervan op de veilige, betrouwbare en efficiënte bedrijfsvoering van apparatuur of constructies zijn vaak serieuzer dan de eenvoudige verlies van een massa metaal. Uitval van diverse soorten en de noodzaak voor dure vervanging kunnen optreden zelfs als de hoeveelheid vernietigd metaal tamelijk klein is.

Typen Corrosie

Er zijn verschillende vormsoorten corrosie (Fig. 2). Deze omvatten: (i) interkristallijne corrosie, (ii) omgevingsgeïnduceerde corrosie, (iii) putcorrosie, (iv) dealloying of selectieve lixiviatie, (v) erosiecorrosie, (vi) corrosie in gewapend beton, (vii) galvanische corrosie, (viii) spleetcorrosie, (ix) microbiologisch geïnduceerde corrosie, (x) uniforme of algemene corrosie. Deze typen corrosie worden hieronder beschreven.

Fig. 2 Vormen van corrosie

Interkristallijne Corrosie

Ook bekend als interkristallijne corrosie. Het is een speciale vorm van gelokaliseerde corrosie, waarbij de corrosieve aanval plaatsvindt in een tamelijk smal pad preferentieel langs de korrelgrenzen in de metaalstructuur. Het meest voorkomende effect van deze vorm van corrosie is een snelle mechanische desintegratie (verlies van duktiliteit) van het materiaal. Normaal kan het voorkomen door het juiste materiaal en productieproces te gebruiken.

Op microscopisch niveau hebben ijzer en stalen kleine, onderscheidbare regio's genaamd korrels. Binnen een individuele korrel is de oriëntatie van de atoomaanordening (rooster genoemd) hetzelfde. Individuele korrels hebben verschillende oriëntaties en de grens tussen de korrels heet de korrelgrens. Normaal zijn korrelgrenzen niet reactiever in corrosie dan de korrel zelf. Echter, onder bepaalde condities zijn de korrelgrenzen gewijzigd ten opzichte van de korrel zelf door verontreinigingen en/of verrijking (of uitputting) van een van de legeringselementen. Warmtebehandeling en lassen kunnen leiden tot samenstelling veranderingen die interkristallijne corrosie kunnen veroorzaken. In ernstige gevallen kan interkristallijne corrosie leiden tot een duidelijke afname in mechanische eigenschappen en kan, in extreme gevallen, het staal veranderen in een stapel van individuele korrels.

Een van de meest voorkomende voorbeelden van interkristallijne corrosie is het optreden in roestvrije stalen. Tijdens het lassen van roestvrij staal, of verwarmen in het temperatuurbereik van 500–800 °C, wordt het roestvrij staal gevoelig gemaakt of vatbaar voor interkristallijne corrosie zoals getoond in Fig. 3. Het chroomcarbied (Cr₂₃C₆) is niet oplosbaar in dit temperatuurbereik en nevelt uit uit de korrel in de korrelgrens. Als gevolg is het gebied van de korrel angrenzend aan de korrelgrens ontdaan van chroom en wordt anodisch ten opzichte van de rest van de korrel en de korrelgrens. Gevolglig bezitten de korrelgrenzen een lagere mate van corrosieweerstand dan het residuele materiaal, leidend tot gelokaliseerde corrosieve aanval. De eenvoudigste oplossing voor het roestvrij staal interkristallijne corrosieprobleem is een samenstelling met een koolstofgehalte van minder dan 0,03%. Laag koolstofgehalte voorkomt de vorming van het chroomcarbied en het chroom blijft in oplossing. De corrosie van het uitgedunde korrelgrensgebied is erg ernstig en treedt op in zuure omgevingen.

Fig. 3 Interkristallijne corrosie

Omgevingsgeïnduceerde Corrosie

Omgevingsgeïnduceerde corrosie wordt ook omgevingsgeïnduceerde scheurvorming genoemd. Er zijn twee typen omgevingsgeïnduceerde scheurvorming: (i) spanning-corrosie-scheurvorming, en (ii) waterstof-geassisteerde scheurvorming. Omgevingsgeïnduceerde scheurvorming treedt ook op door corrosiemoeheid. Fig. 4 toont omgevingsgeïnduceerde corrosie.

Fig. 4 Omgevingsgeïnduceerde corrosie

Spanning-corrosie-scheurvorming (SCS) treedt op in stalen onder verschillende drempelcondities zoals: (i) specifieke corrosieve omgeving oplossingssamenstelling, (ii) minimale trekspanningniveaus, (iii) temperatuur, (iv) staalsamenstelling, en (v) staalstructuur. Een voorbeeld is roestvrije stalen. Roestvrije stalen scheuren in chloridenoplossingen. De wisselwerking van de condities leidend tot SCS is niet goed begrepen. Het wordt geglaub dat de corrosie een put of oppervlakteonregelmatigheid vormt op het metaal die dan fungeert als spanningsconcentrator. De aanwezigheid van een minimale drempeltrekspanning, gekoppeld met de corrosie, zorgt ervoor dat de scheur voortschrijdt. Daarnaast kunnen tijdens de initiële corrosie de trekspanningen de beschermende films op het oppervlak laten breken, waardoor het metaal blootgesteld wordt aan de corrosieve omgeving.

Dit is een gevaarlijk corrosietype dat het resultaat kan zijn van omgevingsfactoren of cyclische spanningen. De belangrijkste typen scheuraanval zijn door: (i) corrosiemoeheid, de versnelde uitval van staal dat cyclische belasting ondergaat door aanwezigheid in een corrosieve omgeving, en (ii) SCS, de corrosie-geïnduceerde scheurvorming die optreedt in stalen onder hoge trekspanning. De scheuren beginnen aan het oppervlak en gaan naar binnen. Het is te noteren dat de spanning het resultaat kan zijn van koud vervormen, vormen, of externe belasting.

SCS is een gecombineerd mechanisch en electrochemisch corrosieproces wat resulteert in scheurvorming van bepaalde materialen. Het kan leiden tot onverwachte plotselinge broze uitval van normaal duktiele metalen onderworpen aan spanningsniveaus ver onder hun strekkingsgrens. Interne spanningen in een materiaal kunnen voldoende zijn om een aanval van spanning-corrosie-scheurvorming te initiëren.

SCS is niet simpelweg een overlappende van corrosie en mechanische spanningen, maar kan begrepen worden als een auto-katalytisch, zelfversnellend proces leidend tot hoge metaaloplossingssnelheden (anodische reactie). Initiëel vormt een kleine put die ontwikkelt tot een scheur door de toegepaste of residuele spanning in het materiaal. De scheurvorming opent een nieuw actief (niet-passief) metaaloppervlak, wat weer heel gemakkelijk corrodeert. Dit leidt tot verdere scheurvoortplanting en weer blootstelling van nieuwe hoog actieve metaaloppervlakken in de scheur. Metaaloplossing in de scheur schreedt snel voort tot mechanische uitval optreedt.

SCS is een hoog specifieke vorm van corrosie die alleen optreedt wanneer de volgende drie verschillende vereisten tegelijkertijd vervuld zijn (Fig. 4): (i) mechanisch (belasting, spanning), (ii) materiaal (vatbare legering, bijv. staal), en (iii) omgeving (sterk corrosief, chloriden). Het is bekend dat bepaalde soorten staal SCS kunnen lijden in harde omgevingen zoals binnen zwembaden. In de meeste van deze gevallen wordt corrosie geïnitieerd door chloriden die de passieve laag aanvallen.

Waterstof-geassisteerde scheurvorming is ook bekend als waterstofverbrokkeling. Het is te wijten aan het verlies in duktiliteit van staal door de verzadiging van atoomaire waterstof in de korrelgrenzen. Het treedt op bij lokale kathodische plaatsen en wordt verergerd door spanning en verbindingen als waterstofsulfide.

Waterstof-geassisteerde scheurvorming wordt veroorzaakt door de diffusie van waterstofatomen in het staal. De aanwezigheid van waterstof in het rooster verzwakt de mechanische integriteit van het metaal en leidt tot scheurgroei en broze breuk bij spanningsniveaus onder de strekkingsgrens. Net als SCS, kan het leiden tot plotselinge uitval van staalonderdelen zonder detecteerbare waarschuwingstekens. In veelvoorkomende toepassingen is waterstofschade normaal alleen relevant voor hoogsterkte staal met een treksterkte van ~1 MPa of hoger. Voor waterstof-geassisteerde scheurvorming moeten drie verschillende condities (Fig. 4) tegelijkertijd aanwezig zijn: (i) mechanisch (belasting, spanning), (ii) materiaal (hardheidsstructuur), (iii) omgevingsmatig (externe waterstof, interne waterstof).

De bron van waterstof kan het productieproces zijn zoals staalproductie, beizen en electro-galvaniseren (primaire waterstof). Een secundaire bron kan de waterstof zijn gevormd tijdens een corrosieproces. Tijdens het corrosieproces wordt waterstof gevormd en diffuseert in het materiaal. Deze waterstofinname leidt tot een afname in de touwheid of duktiliteit van het staal.

Putcorrosie

Putcorrosie is een uiterst gelokaliseerde aanval die uiteindelijk resulteert in de creatie van kleine gaten of putten in het staal. Deze vorm van corrosie wordt voornamelijk gevonden op passieve metalen die hun corrosieweerstand verschuldigd zijn aan een dunne oxidelag op het oppervlak met een dikte van slechts enkele nanometers.

Putcorrosie is een van de meest destructieve en gevaarlijke vormen van corrosie. In wezen zijn de staalobjecten vatbaar voor putcorrosie die op een oxidefilm voor bescherming vertrouwen, zoals roestvrije stalen. De initiatie van een put kan het resultaat zijn van een van de redenen: (i) chemische aanval, zoals ferricchloride of geaëreerde zeewater op roestvrij staal, (ii) mechanische aanval zoals een impact of schrapen dat kleine gebieden van de beschermende film verwijdert, en (iii) spleetcorrosie voortvloeiende van kleine afzettingen op het oppervlak, met name in stagnant zeewater. Sommige theorieën stellen dat putcorrosie slechts een speciaal geval van spleetcorrosie is.

Het corrosie initiatieproces begint met een lokale afbraak van de passieve laag. Lokale corrosieve aanval kan geïnitieerd worden op stalen, bijv. door chloride-ionen. Putcorrosie kan tamelijk problematisch zijn. Waar uniforme corrosie duidelijk zichtbaar is op het oppervlak, verschijnt putcorrosie frequent slechts als kleine pinholes op het oppervlak. De hoeveelheid materiaal verwijderd onder de pinholes is normaal onbekend, omdat verborgen kaviteiten kunnen vormen, wat putcorrosie moeilijker te detecteren en voorspellen maakt. Technisch is er geen redelijke manier om putcorrosie te controleren. Deze vorm van corrosie moet vanaf het begin uitgesloten worden door ontwerpoverwegingen en gebruik van het juiste materiaal. Fig. 5 toont de putcorrosie.

Fig. 5 Putcorrosie

Dealloying of Selectieve Lixiviatie

Dealloying of selectieve lixiviatie corrosie resulteert uit gebieden van een metaaloppervlak die metallurgisch verschillend zijn van andere, aangrenzende gebieden. Dit type corrosie is meer prevalent in non-ferro metaal en legeringen. Bijvoorbeeld, messing is een legering met zink en koper in een 'vaste oplossing'. Het kan corroderen met het zink selectief verwijderd uit de legering, achterlatend het koper. Het maakt de legering porieus en doet inbreuk op de mechanische eigenschappen. In messing kan het geïdentificeerd worden wanneer de natuurlijke gele kleur roodachtig of koperachtig wordt. Het is nuttig om een kleine hoeveelheid tin aan de legering toe te voegen om dealloying te voorkomen. Dergelijke selectieve lixiviatie heet 'dezinkificatie'.

Gietijzer kan corroderen op een dergelijke manier dat het ijzer selectief weggecorrodeerd wordt, achterlatend een zachte grafietlaag. Dit heet 'grafitisatie'. Andere voorbeelden worden aangeduid als dealuminificatie, denickelficatie, en decobaltificatie, etc., waar de termen verwijzen naar het metaalelement dat selectief weggecorrodeerd wordt. Dealloying of selectieve lixiviatie getoond in Fig. 6.

Fig. 6 Dealloying of selectieve lixiviatie

Het mechanisme van selectieve lixiviatie is uitgelegd met een voorbeeld van een messinglegering. In dit geval corrodeert eerst het messing. Vervolgens blijven de zinkionen in oplossing, en het koper plaatst zich terug als vaste laag. Het probleem met deze theorie is dat corrosie optreedt zelfs bij hoge elektrolytstroomsnelheden wanneer men zou aannemen dat de koperionen weggevaagd worden voordat ze kunnen neervallen.

Een tweede theorie, weer voor messing, is dat het zink preferentieel corrodeert, achterlatend koper in een roosterstructuur. Het is een corrosieproces waarin het minder edele metaal in een legering preferentieel aangevallen wordt en in de matrix vervangen wordt door kathodische producten. Het meest voorkomende voorbeeld hiervan treedt op met messing en heet dezinkificatie. Bij de dezinkificatie van messing wordt het zink in de legeringsmatrix aangevallen en blijft het koper over.

Erosiecorrosie

Erosiecorrosie resulteert uit een hoge snelheid elektrolytstroom wiens slijtende werking de corrosie versnelt. Deze corrosie is met name ernstig wanneer het elektrolyt vastestoffen in suspensie bevat. Het effect is het verwijderen van een beschermende oxide van de filmoppervlakte, wat vers staal blootstelt om te corroderen. Erosiecorrosie kan gezien worden als putcorrosie op een veel grotere schaal. Er is in feite een limiet aan welke elektrolytsnelheden door specifieke metalen getolereerd kunnen worden.

Koper-nikkel legeringen worden geselecteerd voor zeewaterdienst gebaseerd op hun weerstand tegen erosie-corrosie (onder andere vereisten). Naast erosie, zijn andere aanvalsgerelateerde aan snelheidseffecten als volgt.

Cavitatie

Het is de achteruitgang van een oppervlak veroorzaakt door de plotselinge vorming en instorting van bellen en leegtes door turbulente in de vloeistof. Het wordt normaal gekenmerkt door een geput of ruw metaaloppervlak.

Impingement Aanval

Het is de gelokaliseerde corrosie veroorzaakt door turbulente of impingerende stroom. Normaal is er een kritieke snelheid onder welke geen impingement optreedt en boven welke aanval snel toeneemt. In veel gevallen kunnen de drie corrosieprocessen gelijktijdig optreden. Fig. 7 toont erosiecorrosie.

Fig. 7 Erosiecorrosie

Corrosie in Gewapend Beton

Gewapend beton (GB) is een composietmateriaal bestaande uit staalwapeningsstaven (wapening) in een betonmassa ingesloten. Wapening draagt de grootste deel van de trekkracht en geeft een mate van scheurweerstand aan het beton wat zelf onder druk belast is. Staal in beton is normaal in een niet-corroderende, passieve toestand. Echter, niet-corroderende, passieve condities zijn in de praktijk niet altijd bereikt, waardoor corrosie van wapening optreedt. Corrosie van wapening heeft fysieke gevolgen zoals verminderde uiteindelijke sterkte en bruikbaarheid van de betonconstructies. De staalwapening corrosie in beton is een groot universeel probleem. De schade die ontstaat door corrosie kan in grote mate de bruikbaarheid en structurele integriteit van het GB verminderen. Corrosie-geïnduceerde schade aan de betonconstructie noodzaakt een vroege reparatie of in sommige gevallen complete vervanging van de betonconstructie.

Wanneer de wapeningsstaaf in staal corrodeert, vergroten de corrosieproducten het volume. Alle vormen van ijzeroxide en hydro-oxide hebben specifieke volumes groter dan die van het staal. De expansieve krachten gegenereerd door de staalcorrosie leiden tot trekscheuringen en roestvlekken van het beton. Dit zorgt op zijn beurt voor vermindering in de bruikbaarheid en structurele integriteit van beton naast het beïnvloeden van de esthetiek. Eenmaal de corrosie gestart is, is het slechts een kwestie van tijd voordat een cumulatieve hoeveelheid schade optreedt aan de betonconstructie en het ver uitvloeit vóór de ontwerplevensduur.

De twee hoofdoorzaken van de corrosie van de wapening in beton zijn: (i) gelokaliseerde uitval van de passieve film op het staal door chloride-ionen en (ii) algemene uitval van de passiviteit door neutralisatie van de betonalkaliniteit door reactie met atmosferische CO₂ (kooldioxide). De belangrijkste factoren die de corrosie van wapening in GB beïnvloeden zijn: (i) verlies van alkaliniteit door carbonatisatie, (ii) verlies van alkaliniteit door chloriden, (iii) scheuren in het beton door mechanische belasting, (iv) streustrassen, (v) atmosferische vervuiling, (vi) vochtpaden, (vii) water-cement verhouding, (viii) lage trekkracht van het beton, (ix) elektrisch contact met ongelijke metalen, en (x) corrosie door verschil in omgevingen.

In een medium van perfecte uniformiteit is corrosie heel onwaarschijnlijk. Echter, gewapend beton is bij geen enkele manier een homogene materiaal en corrosiecellen worden opgezet wanneer bepaalde condities bestaan. Er zijn talrijke redenen voor de corrosiebevorderende non-uniformiteit van beton. Beton kan honingraatstructuur, porieus, en oneffen nat en droog zijn. Scheurvorming veroorzaakt verschillen in staalspanning, differentiele aeratie, en zoutafzettingen. Er zijn altijd inherent non-uniformiteiten in de wapening zelf door initiële ingesloten residuele spanningen en productieprocessen. Als resultaat worden regio's van lagere potentieel anodisch en regio's van hogere potentieel kathodisch. Vochtig beton fungeert als het elektrolyt, de werking van wat verder versneld wordt als zoutionen bestaan. Corrosie in gewapend beton valt normaal onder twee algemene groepen: (i) gescheurd beton, en (ii) ongescheurd beton.

Bij vers ongescheurd beton is er normaal voldoende weerstand tegen corrosieve aanval. Het betonbedekking over de wapening is zeer effectief in het remmen van de penetratie van corrosieve agenten tot het niveau van het staal. Het is voor de hand liggend dat hoe dikker en dichter het betonbedekking, des te effectiever het wordt in het weerstaan van corrosie. Ook vers beton heeft een zeer hoge pH-waarde die doorgaans corrosiereacties remt. Het pH-getal is een index van de zurigheid of alkaliniteit van een medium. Getallen van 0–7 duiden op zurigheid van een oplossing (waarbij corrosie bevorderd wordt), en getallen van 7–14 duiden op alkaliniteit (waarbij corrosie geremd wordt). Vers beton heeft een hoog Ca(OH)₂ (calciumhydroxide) gehalte wat het een pH van ~13 geeft. De laatste verdediging tegen corrosie wordt geboden door de blauwe oxidefilm (walschaal) rond het oppervlak van de wapening. Deze oxidefilm voorkomt dat corrosieve agenten in direct contact komen met het blote metaal. Dus walschaal biedt gelokaliseerde corrosiebescherming.

Echter, naarmate de tijd verstreken, neigen de bovenstaande condities te veranderen. Water, zout, zuurstof, CO₂, en industriële gassen (indien aanwezig) beginnen langzaam het beton te penetreren, de snelheid van wat afhangt van de doorlatendheid van het betonbedekking. CO₂, dat in het beton penetrateert door poriën en scheuren, reageert met Ca(OH)₂ en produceert calciumcarbonaat. Dus, zowel de pH-waarde als de beschermende kwaliteit van het beton worden verminderd. Het algemene mechanisme waarmee corrosie in gewapend beton optreedt, is getoond in Fig. 8.

Fig. 8 Corrosie in gewapend beton

Galvanische Corrosie

Wanneer twee verschillende metalen blootgesteld zijn aan een corrosieve omgeving, bestaat een elektrisch potentiaalverschil. Als de twee metalen elektrisch verbonden zijn, wordt het actiefste metaal de anode in de resulterende galvanische cel en de corrosie ervan wordt verhoogd. Een voorbeeld van zo'n corrosiecel is het gebruik van staalbouten om koperen platen samen te houden.

Galvanische corrosie verwijst naar corrosieschade waar twee ongelijke metalen een elektrisch geleidende verbinding hebben en in contact zijn met een gemeenschappelijke corrosieve elektrolyt. In het electrochemische model van corrosie vindt een van de twee partiële reacties (anodische metaaloplossing en kathodische zuurstofreductie) bijna uitsluitend op één metaal plaats. Normaal wordt het minder edele metaal opgelost (anodische metaaloplossing), terwile het edelere deel niet aangevallen wordt door corrosie (dient alleen als kathode voor zuurstofreductie). Waar galvanische corrosie plaatsvindt, is de corrosiesnelheid van het minder edele metaal hoger dan in een vrij corroderende omgeving zonder contact met een ander metaal.

Door thermodynamische data en algemene ervaring uit typische toepassingen te gebruiken, is het mogelijk te voorspellen welke materiaalcombinaties beïnvloed worden door galvanische corrosie. Een positief voorbeeld van het galvanische corrosiefenomeen is de manier waarop zink koolstofstalen en laag-gelegerde stalen beschermt. Zink is het minder edele metaal dat actief staal beschermt door zichzelf te laten corroderen.

Niet alle galvanische corrosie is nadelig. Gezinkte staal, of galvaniseren, wordt gebruikt om staal te beschermen, niet omdat het staal bestendig is tegen corrosie, maar omdat het zink, anodisch ten opzichte van het staal, preferentieel corrodeert. Daarom wordt het staal kathodisch beschermd door elk blootgesteld gebied van staal tot kathoden te maken.

Het is normaal goede praktijk om geen ongelijke metalen te gebruiken tenzij het noodzakelijk is, maar als het moet worden gebruikt, dan zijn de benodigde voorzorgsmaatregelen: (i) proberen de metalen elektrisch te isoleren, (ii) beschermende coatingen op het metaaloppervlak(ken) gebruiken, normaal de kathode, (iii) kathodisch het minder edele metaal beschermen, (iv) corrosieremmers in het systeem stoppen, (v) ontwerp waarin anodisch deel gemakkelijk vervangen kan worden, (vi) vocht uithouden, (vii) metalen gebruiken die dicht bij elkaar in de galvanische reeks liggen, (viii) de anode/kathode oppervlakteverhouding hoog houden in het ontwerp, en (ix) ontwerptoelatingen gebruiken om rekening te houden met de corrosie. Fig. 9 toont de galvanische corrosie.

Fig. 9 Galvanische corrosie

Spleetcorrosie

Spleetcorrosie verwijst naar corrosie optredend in scheuren of spleten gevormd tussen twee oppervlakken (gemaakt van hetzelfde metaal, verschillende metalen of zelfs een metaal en een non-metaal). Dit type corrosie wordt geïnitieerd door de beperkte toegang van zuurstof uit de lucht door diffusie in het spleetgebied wat leidt tot verschillende concentraties opgeloste zuurstof in het gemeenschappelijke elektrolyt (de zogenaamde aeratiecel).

Spleetcorrosie is een gelokaliseerde aanval die optreedt wanneer spleten, gevormd door overlappende verbindingen, of gedeeltelijk afgeschermde gebieden, blootgesteld zijn aan corrosieve omgevingen. Dergelijke resulterende cellen worden aangeduid als concentratiecellen. Twee veelvoorkomende gevallen zijn zuurstofcellen en metaalionencellen. Zuurstofconcentratiecellen treden op wanneer het afgeschermde gebied uitgedund raakt in zuurstof en het gebied fungeert als anode ten opzichte van de oxide regio. Zoals getoond in Fig. 10, wordt de corrosie tamelijk snel vanwege het kleine afgeschermde gebied vergeleken met het niet-afgeschermde gebied. In het geval van een zuurstofcel is er een zuurstof 'gradiënt' wat de vorming van de anode en kathoden ten opzichte van de zuurstofniveaus dwingt.

Fig. 10 Spleetcorrosie

Spleetcorrosie verwijst naar de corrosie optredend in scheuren of spleten gevormd tussen twee oppervlakken (gemaakt van hetzelfde metaal, verschillende metalen of zelfs een metaal en een non-metaal). Dit type corrosie wordt geïnitieerd door de beperkte toegang van zuurstof uit de lucht door diffusie in het spleetgebied leidend tot verschillende concentraties opgeloste zuurstof in het gemeenschappelijke elektrolyt (de zogenaamde aeratiecel). Opnieuw vinden de twee partiële reacties plaats op verschillende delen van het oppervlak. Zuurstofreductie vindt plaats in de outer gebieden met hogere zuurstofconcentraties gemakkelijk bereikbaar door de omringende lucht, terwijl de anodische metaaloplossing optreedt in het spleetgebied resulterend in gelokaliseerde aanval (bijv. putten). Het kan ook onder rondellen of pakkingen optreden, wanneer de toegang van water eronder niet voorkomen wordt. Er zijn onder- en bovengrenzen voor de grootte van een spleet waarin corrosie geïnduceerd wordt. Als de spleet te strak is, wordt geen elektrolyt voor corrosie geïntroduceerd. Als de spleet te wijd is om zuurstoftoegang te reduceren, kan de aeratiecel en consequentieel verschillende zuurstofconcentraties niet ontwikkelen. Echter, de kritieke spleetbreedte hangt af van verschillende factoren zoals het type metalen betrokken, de corroderende omgeving en nat/droog cycli.

De initiële dryfkracht van dergelijke corrosie is de zuurstofcel. De voortgezette groei wordt bevorderd door de accumulatie (vaak veroorzaakt door dezelfde factoren die de lage zuurstofniveaus produceren van zure, gehydrolyseerde zouten binnen de spleet. Legeringen, zoals 18-8 roestvrije stalen, zijn vatbaar voor zuurstofcel spleetcorrosie.

Metaalionencellen worden voornamelijk gevormd met koperlegeringen. Het afgeschermde gebied accumuleert corrosieproducten en wordt kathodisch ten opzichte van de regio's buiten de spleet waar corrosieproducten weggewaaid worden. Figuur 10 toont dit type concentratiecel.

Een ander voorbeeld van metaalioncel corrosie treedt op wanneer relatieve snelheden van elektrolyt over het metaaloppervlak groter zijn op één punt dan op een ander, wat resulteert in metaalion spleetcorrosie. Een goed voorbeeld is waar een schijf van metaal met hoge snelheid in zeewater roteert. Corrosie treedt op nabij de rand waar lineaire snelheden het hoogst zijn en de metaalionconcentratie laag is (aangezien de ionen herhaaldelijk weggevaagd worden). De hoge snelheid, hoger dan in regio's dichter bij de nabij de schijf, vaagt de metaalionen weg, dus anode regio's vormend. In het centrum van de schijf, waar snelheden lager zijn, fungeert het metaal als kathode en is beschermd.

Echter, de twee concentratiecellen corroderen op verschillende regio's van de spleet. De zuurstofcel corrodeert onder het afgeschermde gebied terwijl de metaalioncel corrodeert buiten het gebied. De initiële dryfkracht achter de corrosie is ofwel de zuurstof of de metaalioncel. De voortgezette groei wordt beheerst door de accumulatie van corrosieproducten, kalkachtige afzettingen, en zouten binnen de spleet.

Opnieuw vinden de twee partiële reacties plaats op verschillende delen van het oppervlak. Zuurstofreductie vindt plaats in de outer gebieden met hogere zuurstofconcentraties gemakkelijk bereikbaar door de omringende lucht, terwijl de anodische metaaloplossing optreedt in het spleetgebied resulterend in gelokaliseerde aanval (bijv. putten). Het kan ook onder rondellen of pakkingen optreden, wanneer de toegang van water eronder niet voorkomen wordt.

Microbiologisch Geïnduceerde Corrosie

Biologische organismen kunnen een grote rol spelen in metaalaanval. Corrosie wordt veroorzaakt of versneld door micro-organismen. Het kan plaatsvinden met of zonder aanwezigheid van zuurstof. Biologische actie kan de ernst van corrosie verhogen: (i) als resultaat van bio-afzettingen op het materiaaloppervlak, (ii) productie van corrosieve chemische soorten (d.w.z. waterstofsulfide van sulfaatreducerende bacteriën – SRB), en (iii) verstoring van normale electrochemische reacties en filmvorming.

Microbiologisch (microbiologisch) geïnduceerde corrosie (MIC) is corrosie veroorzaakt door de aanwezigheid en activiteiten van micro-organismen. Micro-organismen zijn organismen die niet afzonderlijk met het ongewapende menselijk oog gezien kunnen worden, waaronder microalgen, bacteriën, en schimmels. Microbiologisch geïnduceerde corrosie kan verschillende vormsoorten gelokaliseerde corrosie veroorzaken, waaronder putten, dealloying, versterkte erosiecorrosie, versterkte galvanische corrosie, spanning-corrosie-scheurvorming, en waterstofverbrokkeling. Als resultaat van MIC kan corrosie optreden op locaties waar het niet voorspeld wordt, en het kan optreden bij zeer hoge snelheden. IJzer- en staalmaterialen ondergaan MIC. Verder kan MIC ook plaatsvinden in zeewater, zoetwater, gedestilleerd/gedemineraliseerd water, koolwaterstofbrandstoffen, proceschemicaliën, voedsel, gronden, menselijk plasma, speeksel, en rioolwater.

Hoewel SRB, alleen actief in anaërobe (zuurstofvrije) omgevingen, een heel veelvoorkomende oorzaak van corrosie zijn, kan MIC ook veroorzaakt worden door andere typen micro-organismen. Als voorbeeld, 'thiobacilli' wat zwaveloxiderende bacteriën (SOB) zijn, oxideert zwavelverbindingen tot zwavelzuur. Andere zuurproducerende micro-organismen omvatten zowel bacteriën als schimmels. Microben kunnen zich hechten aan metaaloppervlakken vormend een bio-film, bestaande uit een gemeenschap van micro-organismen, leidend tot corrosie. Wanneer de zuurprodukten van bacteriële actie vastzitten aan de bio-film/metaal interface, is hun impact op corrosie geïntensiveerd.

Hoewel ijzer niet appreciabel corrodeert in geëerateerd water, is de corrosiesnelheid in sommige natuurlijke geëerateerde omgevingen onnormaal hoog. Deze hoge snelheden zijn terug te voeren op de aanwezigheid van SRB (bijv. desulfovibrio desulfuricans). Hun relatie tot een waargenomen versnelde corrosiesnelheid in gronden laag in opgeloste zuurstof werd eerst waargenomen in Nederland. De bacteriën zijn gebogen, meten ~1×4 micrometer, en worden in veel wateren en gronden gevonden. Ze groeien alleen onder anaërobe condities in het pH-bereik van ~5,5–8,5. Bepaalde variëteiten vermenigvuldigen in zoetwateren en in gronden die sulfaatten bevatten, anderen bloeien in brakke wateren en zeewater, en nog anderen worden gesteld te bestaan in diepe gronden bij temperaturen zo hoog als 60–80 °C.

SRB reduceren gemakkelijk anorganische sulfaaten tot sulfiden in aanwezigheid van waterstof of organische stof, en worden geholpen in dit proces door de aanwezigheid van een ijzeroppervlak. De hulp die ijzer biedt in deze reductie is waarschijnlijk om waterstof te leveren, die normaal geadsorbeerd is op het metaaloppervlak en wat de bacteriën gebruiken in het reduceren van SO₄. Voor elk equivalent waterstofatomen dat ze consumeren, gaat één equivalent Fe²⁺ in oplossing om roest en FeS te vormen. Dus, de bacteriën fungeren waarschijnlijk essentieel als depolarisators.

Ferrihydroxide en ferrosulfide worden gevormd in de verhouding van 3 mol tot 1 mol. Analyse van roest waarin SRB actief waren, toont deze benaderende verhouding van oxide tot sulfied. Kwalitatief kan de actie van SRB als oorzaak van corrosie in water initiëel vrij van sulfiden gedetecteerd worden door een paar druppels chloorwaterstofzuur aan de roest toe te voegen en de geur van waterstofsulfide op te merken.

Ernstige schade door SRB is voorgekomen in olieputbuizen, begraven pijpleidingen, watergekoelde walsmolens, en pijpen uit diepe waterputten. Binnen 2 jaar kan putwater uitval veroorzaken van een gezinkte waterpijp van 50 mm diameter door de actie van SRB.

Een combinatie van lage temperatuur en lage vochtigheid is één benadering voor het controleren van de groei van bacteriën, maar schimmels kunnen in staat zijn om onder dergelijke condities te groeien. Regelmatig reinigen is een goede praktijk om bio-filmvorming en daaropvolgende corrosie te voorkomen. Chlorinatie wordt gebruikt om bacteriën die corrosie veroorzaken te elimineren, maar deze behandeling kan bijproducten produceren die milieumatig onacceptabel zijn. Aeratie van water vermindert de activiteit van anaërobe bacteriën aangezien ze niet kunnen bloeien in aanwezigheid van opgeloste zuurstof. Toevoeging van bepaalde biociden kan gunstig zijn, maar micro-organismen zijn in staat om resistent te worden tegen specifieke chemicaliën na langdurig gebruik. Uitroeiing van microbiële populaties kan bereikt worden door meerdere chemicaliën te combineren of door de concentratie van een biocide te verhogen. Fig. 11 toont een voorbeeld van microbiologisch geïnduceerde corrosie.

Fig. 11 Voorbeeld van microbiologisch geïnduceerde corrosie

Uniforme of Algemene Corrosie

Uniforme corrosie (Fig. 12) is een vorm van corrosie waar het oppervlak vrijwel gelijkmatig verwijderd wordt. De partiële reacties (metaaloplossing en zuurstofreductie) zijn statistisch verdeeld over het oppervlak, leidend tot min of meer homogene oplossing van het metaal en uniforme vorming van corrosieproducten (bijv. rode roest op koolstofstaal). Deze corrosie resulteert uit de continue verschuiving van anode- en kathoderegio's van het oppervlak van een metaal in contact met het elektrolyt en leidt tot een vrijwel uniforme corrosieve aanval op het gehele oppervlak. Een voorbeeld van zo'n corrosie is het roesten van een staalplaat in zeewater. Hoewel het uniforme corrosie genoemd wordt, wordt het gekenmerkt door het gemiddelde oppervlakteverlies.

Fig. 12 Uniforme corrosie

Als de snelheid van metaalverlies bekend is, kunnen toelatingen in ontwerp en onderhoud gemaakt worden om de corrosie te accommoderen. De omvang van deze vorm van corrosie kan normaal goed geschat worden op basis van eerdere ervaring. De corrosiesnelheid wordt normaal gegeven in micrometer per jaar. Met deze gemiddelde waarden is het mogelijk de levensverwachting van een component te berekenen, en dus de levensverwachting te verbeteren door de dikte te vergroten.

Uniforme corrosie treedt op op onbeschermd koolstofstaal en op gezinkte staal onder atmosferische condities. In de realiteit is zuiver homogene corrosie-aanval onwaarschijnlijk. Er zijn altijd gebieden, met name op complexe staalonderdelen, die sneller corroderen dan anderen, leidend tot een min of meer ruw oppervlak met een oneffen bedekking van corrosieproducten.