Malzeme Bilgisi

Prof. Dr. Akgün ALSARAN

Korozyon

2

İçerik

Elektrokimyasal reaksiyonlar

Pil oluşumu

Korozyon miktarı

Anodik-katodik korozyon

Korozyon türleri

Korozyondan korunma yöntemleri

Oksidasyon

3

Korozyon

Malzemelerin yapısı ve özellikleri çevre ile nasıl etkilenir?

Nem UV ışınları

Deniz suyu Sıcaklık Asit, baz

4

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.

Al Capone gemisi

5

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

6

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

7

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

8

Korozyon miktarı

W: Korozyon oranı, kaybedilen malzeme miktarı Z: Elektrokimyasal potansiyel dizi sabiti I: Akım A: Anot yüzey alanı

9

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)

10

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 physically joined. The more anodic one corrodes.(see Table 17.2) Zn & Mg very anodic.

• Erozyon korozyonu Break down of passivating layer by erosion (pipe elbows).

Korozyon

türleri

• Yorulmalı kor..

• Taneler arası Corrosion along grain boundaries, often where special phases exist.

attacked zones

g.b. prec.

• 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.)

• Aralık Between two pieces of the same metal.

Rivet holes

11

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.

12

Korozyon türleri

Galvanik Korozyon

Çukurcuk Korozyon

Metal yüzeyinde çok küçük bir bölgede çukur

oluşarak meydana gelir. Metal kaybı azdır, fakat

kısa zamanda malzeme kullanılmaz hale gelir.

13

Korozyon türleri

Çukurcuk Korozyon

14

Korozyon

Aralık Korozyonu

Makine parçalarının montajında kesinlikle yok edilemeyen dar bölgeler ve aralıklar içerisinde

başlar. Cıvata yerine kaynak kullanmak sorunu çözer.

15

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.

16

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.

17

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.

18

Korozyon türleri

Erozyonlu Korozyon

Filiform Korozyon

Kaplama altı korozyonudur.

19

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

20

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

verilecek bir korozyon payı gibi ilaveyle düşünülmesi yine bu

aşamada yapılır. Katodik veya anodik koruma gerektiren durumlarda

gerekli bağlantı yerleri bu aşamada ön görülmelidir.

Elektrik geçmeyecek şekilde tasarım

21

Korozyondan korunma

22

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

irdelenmesi ve sonuç olarak başka imkanın kalmadığı ve seçimin ancak böyle

yapılabildiği inancına varılmalıdır.

23

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.

24

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

metale vermesi ve onun çözeltiye iyon vermemesini

sağlaması şeklindedir. Kurban anot bizzat korozyona

uğrayacağı ve tükeneceği için zamanla yenilenmesi ve

takip edilmesi gereklidir.

25

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.

26

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.

27

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)