Korrosionsegenskaper

Även om många material uppfyller kravet på styrka, vikt, styvhet, utmattningshållfasthet etc, så är det beständigheten mot korrosion i en specifik omgivning som ofta avgör det slutliga materialvalet. I kontakt med syror, alkalier, oorganiska salter och organiska föreningar måste särskild vikt läggas vid materialvalet.

Korrosion är resultatet av kemisk eller elektrokemisk reaktion mellan ett material och dess omgivande miljö. Vanligtvis förknippar man korrosion med rostangrepp på stål, men fenomenet kan förekomma i olika former på de flesta typer av material: metaller, polymerer och keramer. Hit räknas även svampangrepp på trä (mycket mera om trä hittar du hos Träguiden). Korrosion är inte alltid synlig och behöver heller inte innebära att material fräts bort i väsentlig grad. Emellertid sker vid korrosion en gradvis förändring av materialegenskaperna som kan vara helt avgörande för komponentens livslängd. Det är därför viktigt att alltid noggrant analysera materialvalet med hänsyn till den omgivande miljön. Problemområdet är dock omfattande och ofta mycket komplext till sin natur. Mycket av materialutvecklingen fokuserar mot korrosionsbeständighet i både vanliga miljöer och för speciella tillämpningar i besvärliga miljöer.

I den följande framställningen ges några riktlinjer för val av material med hänsyn till korrosion. I besvärliga materialvalssituationer hänvisas till speciallitteratur inom området. Den bästa informationskällan torde dock vara materialleverantörerna.

Metalliska material

På metall innebär korrosion ofta en elektrokemisk process, dvs elektroner ingår i reaktionen som sker i fuktig miljö. Rost på stål, ärg på koppar och mässing, vitrost på zink är olika typer av korrosionsprodukter. Korrosionsangreppen kan ta sig olika former och man skiljer på: allmän korrosion, gropfrätning, spaltkorrosion, erosionskorrosion, korngränsfrätning, spänningskorrosion och korrosionsutmattning. De två sistnämnda typerna behandlas här.

Korrosion kan förekomma endast om följande förutsättningar föreligger:

  • Metall som kan oxideras
  • Syre (eller något annat ämne) som kan reduceras
  • Elektronledare (metallen)
  • Jonledare (vatten).

Olika metaller har olika benägenhet att oxidera. De rangordnas i en galvanisk spänningsserie. Guld står högst i denna spänningsserie och har således lägst förmåga att oxidera, medan magnesium står lägst med störst förmåga att oxidera. Då två olika metaller är hopkopplade med elektriskt ledande kontakt kan galvanisk korrosion uppstå om skillnaden i potential är tillräckligt stor. Denna tabell visar en spänningsserie i havsvatten för några metaller samt vilka metaller som är kompatibla med varandra utan att galvanisk korrosion uppstår.

Om metallerna inte är kompatibla måste de isoleras från varandra eller så måste den metall som är lägst i spänningsserien ha mycket stor yta i förhållande till den ädlare. Det går således bra att fästa en aluminiumplåt med förnicklade skruvar men inte så bra med galvaniserad spik.

60 % relativ luftfuktighet är tillräcklig för att hålla igång en korrosionsprocess. I praktiken krävs dock 80 % för att korrosionen skall få någon betydelse.

Allmän korrosion är i regel den minst farliga korrosionstypen eftersom den är lättare att förutsäga. Kolstål rostar med ca 0.1 mm per år i normal utomhusatmosfär. Denna tabell visar avfrätningshastigheten för zink i några olika miljöer.

Avfrätningshastighet för zink [Österberg m fl, 95].

Atmosfärstyp Korrosionshastighet [mm/år]

Inomhus

< 0,15
Landsbygd, inland < 0,5
Havsatmosfär, västkust 1 - 2
Havsatmosfär, ostkust 1 - 1,5
Mindre stad 0,75 - 1,5
Storstad 1 - 2
Industri 2 - 10

De flesta metalliska material har tillämpningar där de är korrosionsbeständiga. Exempelvis är kolstål och låglegerade stål, som man normalt inte väljer för deras korrosionshärdighet, mycket resistenta i koncentrerad svavelsyra. Ett annat exempel utgör aluminium som generellt är mycket korrosionsbenägen i starka syror och alkalier utom i koncentrerad salpetersyra. Därför används aluminiumtankar för lagring och transport av salpetersyra.

Se redoxjämviktstabellen här.

Rosttröga stål

Ett s k rosttrögt stål är ett låglegerat stål som rostar långsammare i utomhusatmosfär än ett vanligt kolstål. Motståndet mot atmosfärisk korrosion är 3 - 4 gånger bättre än för vanliga olegerade och låglegerade konstruktionsstål.

Rostfria stål

När det gäller allmän korrosion är de austenitiska s k 18/8 stålen med 18 % krom och 8 % nickel de mest använda av de rostfria stålen när man önskar ett rostbeständigt alternativ till de vanliga konstruktionsstålen. I sura lösningar är de austenitiska stålen i allmänhet bättre än de ferritiska och martensitiska.

I de rostfria stålen kan dock gropfrätning förekomma. Den uppstår lättare ju grövre ytan är. I neutrala kloridlösningar är de austenitiska stålen härvidlag generellt bättre än ferritiska och martensitiska stål med samma kromhalt. Ferritiska och martensitiska stål med 13 % kromhalt har endast måttlig rosthärdighet vad avser gropfrätning i neutrala och svagt sura lösningar. Härdigheten ökar med stigande krom- och molybdenhalt.

De rostfria automatstålen har nedsatt korrosionshärdighet på grund av tillsats av svavel.

Vid val av austenitiska stål som man avser att svetsa i eller som är högt belastade bör man vara särskilt uppmärksam på risken för korngränsfrätning respektive spänningskorrosion. Den sistnämnda korrosionstypen behandlas utförligare här.

Svetsar man i ett austenitiskt stål riskerar man att stålet lokalt blir sensibiliserat, vilket innebär att korrosionshärdigheten minskar. Man undviker detta genom att välja ett stål med tillräckligt låg kolhalt. Önskas hög korrosionshärdighet krävs max 0,03 % C. Dessa stål har fått ökad betydelse. Vid extrema förhållanden kan man förbättra korrosionshärdigheten med olika legeringsämnen.

Nickel och nickellegeringar

Nickel och nickellegeringar kan ibland vara ett lämpligt alternativ till rostfritt stål i besvärliga miljöer. Speciellt vid höga temperaturer och då man samtidigt önskar hög hållfasthet.

I kloridhaltiga och starkt sura lösningar är t ex en monelmetall (Ni-Cu-legering) avsevärt överlägsen ett rostfritt stål. I kloridfria neutrala och alkaliska lösningar är däremot ett rostfritt stål av typen 18/8 ett bättre alternativ.

Nickel legerat med krom och molybden har ofta extremt god beständighet såväl vid höga temperaturer upp till ca 1170 °C som i kloridlösningar och starka basiska och sura miljöer.

Koppar och kopparlegeringar

Koppar betraktas ibland som en ädelmetall, vilket delvis betyder att den är korrosionsbeständig. Den är korrosionshärdig i svagt sura och neutrala lösningar, dvs i de flesta industri-, marin- och stadsmiljöer såväl i luft som i vatten. Koppar har emellertid låg hållfasthet. Genom legering med zink, aluminium, tenn eller nickel kan man förbättra hållfastheten, ofta på bekostnad av korrosionshärdigheten.

Mässing får betydligt försämrad beständigheten i vatten om zinkhalten överskrider 15 %. Genom tillsats av andra legeringar kan man erhålla god beständighet även med zinkhalter över 15 %. I svavelhaltiga miljöer ökar däremot beständigheten hos mässing med ökad zinkhalt.

Kallbearbetad mässing har en viss benägenhet för spänningskorrosion, se vidare här.

Bronsernas korrosionbeständighet är mycket god och överlägsen mässingens. Rena tennbronser tillhör en av de äldsta kända legeringarna och arkeologiska fynd som är flera tusen år gamla vittnar om tennbronsers beständighet i atmosfärer, vatten och jord av de mest skilda slag.

Ett rosthärdigare alternativ till gjutmässing är rödmetall som också har högre hållfasthet.

Ytterligare förbättring av både korrosionshärdighet och hållfasthet fås genom att välja någon aluminiumbrons. Dessa är resistenta i bl a kaliumkloridlösningar och många syror.

Nickelbronser är ur korrosionssynpunkt underlägsna t ex monelmetallen men har i jämförelse med mässing mycket god korrosionshärdighet. Detta gäller särskilt erosionskorrosion i havsvatten. Nickelbronser med 10 till 30 % nickel utnyttjas speciellt i kondensor- och värmeväxlarrör för havsvatten.

Aluminiumlegeringar

Aluminium har mycket god korrosionhärdighet i flertalet miljöer, vilket beror på att metallytan i atmosfär och vatten överdras med ett korrosionshämmande oxidskikt. I starkt alkalisk (pH > 10) eller mycket sur (pH < 2) miljö ger oxiden inget skydd, varför aluminium då angrips snabbt. Ett undantag, som nämndes ovan, är koncentrerad salpetersyra, som inte angriper aluminium.

Särskilt god beständighet i marin miljö, såväl i atmosfär som i vatten, har de ej härdbara legeringarna med 2-5 % magnesium. De mera höghållfasta härdbara legeringarna, med mer än 1 % koppar, har däremot ofta sämre korrosionshärdighet än övriga legeringar.

Om man har höga krav på hållfasthet och korrosionshärdighet kan man använda höghållfasta och kopparhaltiga legeringar som pläteras med renaluminium. Denna teknik tillämpas inom flygindustrin.

Titan och titanlegeringar

Titan har synnerligen god korrosionshärdighet i neutrala och svagt sura oxiderande kloridlösningar. Rentitan kan vara korrosionsbeständigt i havsvatten upp till 100 -

130 °C vilket innebär att det är väsentligt bättre än de vanliga rostfria stålen.

I likhet med aluminium bildas på titan ett skyddande oxidskikt vilket angrips av endast ett fåtal ämnen. Ett sådant är fluorvätesyra. Titan är normalt resistent mot fuktig klorgas, men om relativa fuktigheten underskrider 0,5 % angrips metallen mycket kraftigt.

Magnesium

Magnesium ligger långt ner i spänningsserien och är därför lätt utsatt för galvanisk korrosion. Magnesium har en viss förmåga att bilda ett oxidskikt på ytan som förhindrar korrosion, men korrosionshärdigheten är betydligt sämre än hos aluminium i sura och neutrala lösningar. Alkaliska lösningar angriper inte magnesium.

Genom legering kan korrosionshärdigheten förbättras avsevärt. Det finns flera mycket saltvattenbeständiga varianter.

Diverse korrosionshärdiga metaller

I tillämpningar med höga krav på korrosionshärdighet och där miljön är speciellt aggressiv, ofta i kombination med hög temperatur, kan det vara motiverat att utnyttja mera exklusiva material. Den höga initialkostnaden kan kompenseras genom lägre kostnader för underhåll och stillestånd.

Tantal har utmärkt beständighet mot de flesta syror, de flesta saltlösningar och organiska kemikalier. Tantal har också bra beständighet mot många korrosiva gaser och flytande metaller.

Tantal angrips av fluorvätesyra, rykande svavelsyra och starka alkalier. Het oxalsyra är den enda kända organiska syra som angriper tantal.

Zirkon är i allmänhet mer korrosionsbeständig än rostfritt stål, men mindre beständig än tantal i många kemiska miljöer. Zirkon är beständig mot de flesta oorganiska och organiska syror och alla alkalier. Metallen kan angripas av fuktig klorgas, kungsvatten, koncentrerad svavelsyra samt järn- eller kopparhaltig klorid.

Korrosionsskydd

Ett korrosionsskydd erhålls genom att eliminera minst en av förutsättningarna för att korrosion skall uppträda. Detta kan göras genom:

  • organiska beläggningar
  • oorganiska beläggningar
  • katodiskt skydd.

Organiska beläggningar

Lackering skyddar metallytan genom tre mekanismer:

  • barriärskydd
  • inhiberande pigment
  • katodiskt skyddande pigment.

Med barriärverkan erhålls en långsam transport av skadliga ämnen till metallytan. I ett färgsystem bör framförallt täcklacken och mellanlacken ge barriärskydd.

Med inhiberande pigment, t ex fosfater och kromater i framförallt grundfärgen, passiviseras metallytan, vilket är gynnsamt ur korrosionssynpunkt.

Som katodiskt skyddande pigment på stål används metalliska zinkpartiklar. Förutsättningarna är att zinkpartiklarna är i kontakt med stålet och att innehållet på zink är högt, ofta 90 - 95 % [Österberg m fl, 95].

Magnesium kromateras före lackering för att förbättra korrosionsskyddet.

Oorganiska beläggningar

Oorganiska beläggningar ger ett bra barriärskydd som kan appliceras genom elektrolys, varmdoppning eller termisk sprutning.

Vanliga kombinationer av elektrolytisk beläggning som korrosionsskydd och basmaterial framgår av denna tabell.
Basmaterial Beläggningsmaterial
Kolstål och legerade stål

Zink, kadmium, nickel, tenn, brons, kopparnickel, kopparnickelkrom

Zink

Kopparnickel, koppar- nickelkrom

Aluminium Kopparnickelkrom
Koppar

Brons, kopparnickelkrom

Mässing Kopparnickelkrom
Magnesium Nickel

Varmdoppning görs vanligtvis bara på konstruktionsstål. Den vanligaste beläggningen är zink. Den har egenskapen att den självläker om en skada uppstår på beläggningen. Andra beläggningar är aluminium samt bly legerat med tenn. Den sistnämnda beläggningen ger inget galvaniskt skydd men används i miljöer som angriper zink, t ex aggressiv mark eller vid kontakt med svavelsyra och saltsyra.

Anodisering tillämpas på aluminium och magnesium, varvid ett relativt tjockt (5 - 25 µm) skyddande oxidskikt skapas i en elektrokemisk process. Skiktet kan även infärgas.

Med termisk sprutning kan praktiskt taget alla material beläggas med ett korrosionsskyddande och ofta slitstarkt skikt av något annat material. Tekniken används t ex för att skydda metaller med keramskikt i högtemperaturtillämpningar i aggressiv miljö.

Polymerer

Bland annat tack vara god korrosionsbeständighet har plaster och kompositer ersatt metaller i många tillämpningar. Det finns plaster som kan användas i mycket aggressiva miljöer som ingen metall klarar. Exempelvis är PTFE ett av de mest beständiga materialen av alla kända material. Likaså är t ex PEEK och PPS mycket resistenta mot kemiska angrepp även i förhöjda temperaturer.

Organiska substansers påverkan på en polymer innebär i allmänhet att materialet sväller, löses upp, missfärgas eller att det bildas sprickor.

Oorganiska ämnens angrepp yppar sig ofta som en irreversibel nedbrytning av plasten.

Kristallina plaster är väsentligt beständigare mot organiska ämnen och lösningsmedel än amorfa. Härdplaster går inte i lösning utan sväller bara, förutsatt att de inte samtidigt bryts ned kemiskt.

I viss mån kan den kemiska strukturen hos en kemikalie vara vägledande vid val av polymer. En allmän regel är att "lika löser lika". Exempel: om man skall välja en plast som skall vara beständig mot en vätska som innehåller aromater, så skall man undvika amorfa polymerer som innehåller bensenringar.

Fukt och vatten i kombination med värme kan orsaka kemisk nedbrytning (hydrolys). Speciellt känsliga för hydrolys är polymerer som innehåller esterbindningar.

Då två plastdetaljer är i kontakt med varandra föreligger risk för s k migrering om den ena detaljen innehåller en mjukgörare. Detta innebär att mjukgöraren vandrar över till den andra plasten med följd att egenskaperna förändras, vilket ofta yppar sig i form av sprickbildning.

I denna tabell ges i generella termer olika polymerers beständighet mot några olika kemikaliegrupper. Tabellen kan tjäna som en första orientering för att välja material med hänsyn till miljöpåverkan. Att ett material spänner över flera beständighetsklasser t ex 1 - 4 betyder att det finns lösningar inom kemikaliegruppen som tillhör någon av klasserna 1 - 4. En mer detaljerad tabell finns i t ex [Klason, 95].

Klicka för att förstora!
Aromatiska kolväten

Bensen, bensin, toluen

Alifatiska kolväten

Heptan
Halogenerade lösningsmedel

Etyldiklorid, klorbensen,
kloroform, koltetraklorid,
metylenklorid, trikloretylen

Estrar och ketoner

Aceton, etylacetat, metyletylketon

Alkoholer

Butylalkohol, etylalkohol, metylalkohol

Aminer Anilin
Svaga baser och salter

Natriumcyanid,
natriumferricyanid,
ammoniak i lösning,
kalciumhydroxid

Starka baser

Kaliumhydroxid, natriumhydroxid

Starka syror

Bromvätesyra, fluorvätesyra,
saltsyra (10 - 37 %),
svavelsyra (10 - 3 %)

Svaga syror

Koldioxid, svaveldioxid,
svavelväte, bensoesyra,
borsyra, citronsyra, cyanvätesyra,
fosforsyra (25 - 85 %), ftalsyra,
garvsyra, maleinsyra, oljesyra,
oxalsyra, smörsyra, vinsyra,
ättiksyra (10 - 100 %)

Starka oxidationsmedel

Kaliumbikromat, kaliumpermanganat,
natriumhypoklorit, klor, kromsyra,
salpetersyra (5 - 65 %), överklorsyra

För information beträffande kemikalier se KoK-boken.

Keramer

Keramer betraktas generellt som mycket korrosionsbeständiga och används därför ofta som korrosionsskydd. Exempelvis har emaljering av metaller fått stor betydelse vid högtemperaturapplikationer.

Emellertid korroderar även keramer och beroende på keramtyp och miljö är denna korrosion av olika grad. Denna tabell visar avfrätningshastigheten hos några keramer i olika testmiljöer.

Tolkning av avfrätningshastigheten:

> 1000 Fullständigt förstörd inom några dagar
100 - 1000 Rekommenderas inte för bruk längre än en månad
50 - 99 Rekommenderas inte för bruk längre än ett år
10 - 49 Försiktighet rekommenderas beroende på tillämpning
0,3 - 9,9 Rekommenderas för bruk under lång tid
< 0,2 Rekommenderas för bruk under lång tid, ingen korrosion

 

[Guide to Selecting Engineered Materials, 89].

Testmiljö Temperatur °C
Korrosiv avfrätning [mg/cm2·år]
Si/SiC-komposit Wolfram-karbid Aluminium-oxid Kisel-karbid
Svavelsyra 98%
100
55
> 1000
65
1,8
Natriumhydroxid 50%
100
> 1000
5
75
2,5
Flurvätesyra 53%
25
7,9
8
20
< 0,2
Fosforsyra 85%
100
8,8
55
> 1000
< 0,2
Salpetersyra 70%
100
0,5
> 1000
7
< 0,2
Kaliumhydroxid 45%
100
>1000
3
60
< 0,2
Saltsyra 25%
70
0,9
85
72
< 0,2
Fluorvätesyra 10%
+ salpetersyra 57%
25
> 1000
> 1000
16
< 0,2

Svavelsyra natriumhydroxid fluorvätesyra fosforsyra salpetersyra kaliumhydroxid saltsyra korrosiv avfrätning sisic komposit wolframkarbid aluminiumoxid kiselkarbid
Trä

Trä är mottagligt för svampangrepp varvid vävnaden bryts ned vilket påverkar hållfasthetsegenskaperna. För att svampar skall kunna utvecklas måste fyra betingelser vara uppfyllda:

  • Temperaturen måste ligga inom ett visst område
  • Fuktigheten måste ligga över ett visst värde
  • Luft, eller egentligen syre, måste finnas tillgänglig
  • Näringsämnen måste finnas.

Är ett av dessa villkor inte uppfyllt kan svamparna inte utvecklas. All skyddsteknik går ut på att eliminera ett eller helst flera av dessa villkor.

Temperatur- och luftvillkoren kan vara svåra att påverka. Däremot utnyttjas fuktighets- och näringsämnesvillkoren genom ytbehandling och impregnering.

Denna tabell visar olika träslags naturliga varaktighet vid markkontakt.

[Ullman, 93]

barrträd furu gran lärk radiatatall contortatall lövträd björk bok ek jarrah mahogny teak
© Copyright © 2002 IVF Industriforskning och utveckling AB