Corrosie oorzaak en bestrijding

Wanneer ijzer wordt blootgesteld aan de buitenlucht gaat het geleidelijk over in een bruin, poreus product: roest. Ook veel andere metalen worden op soortgelijke wijze aangetast. Men spreekt dan meestal niet van roesten, maar van corrosie.
De corrosieproducten van koper zijn zwart of groen, van zink en lood zijn ze grijs en van aluminium zijn ze wit of geelwit en poederachtig. In al deze gevallen blijkt dat een deel van het metaal wordt omgezet in corrosieproducten en dat daarbij metaal verloren gaat. In veel gevallen kunnen daarbij gaten en putten ontstaan.
Bij onderzoek blijkt dat steeds de omgeving, het milieu, medewerking moet verlenen om corrosieverschijnselen mogelijk te maken. Dit milieu kan zijn de atmosfeer, water en een grote reeks chemische producten.
Onderzoek heeft verder uitgewezen dat veel corrosieverschijnselen niet alleen chemische verschijnselen zijn, maar dat zich daarbij ook elektrische processen afspelen. Men spreekt dan van elektrochemische corrosie.
Corrosie is vrijwel nooit gewenst.
Corrosie gaat altijd uit van het oppervlak van het metaal en vreet dan naar binnen.
Met deze gegevens in handen kunnen we nu een definitie opstellen van corrosie:

Corrosie is een ongewenste chemische of elektrochemische aantasting van een metaal, uitgaande van het oppervlak

Oorzaak van corrosieverschijnselen    

De meeste metalen die technisch worden gebruikt zijn onedele metalen. Dit komt omdat ze op aarde veel meer voorkomen dan de edele metalen, zoals goud, zilver en platina. Daardoor zijn ze goedkoper.
De onedele metalen komen maar zelden voor in gedegen toestand, dat wil zeggen als metaal. Meestal moet men ze winnen uit hun ertsen, dat zijn chemische verbindingen, vaak oxiden van die metalen.
Men moet moeite doen (energie toevoeren) om een onedel metaal uit zijn erts vrij te maken. Hoe onedeler het metaal is, hoe groter de vrijmakingsenergie die ervoor nodig is: koper weinig; ijzer al meer; aluminium en magnesium veel. Onedele metalen, die door de mens zijn vrijgemaakt uit hun ertsen bevinden zich op aarde als het ware op de bodem van een oceaan van verontreinigde lucht. Deze is in staat het metaal aan te tasten en als we er niets aan doen keert het na enige tijd naar zijn ertstoestand .
Dat komt omdat de vrijgemaakte metalen zich op aarde in een hogere energietoestand bevinden dan waarin ze van nature voorkomen.
Er is een vaste natuurwet, die tal van verschijnselen, die 'vanzelf' verlopen, verklaart. Deze natuurwet luidt:

Elk systeem in de natuur streeft naar een zo gering mogelijke energie-inhoud.
Men kan ook zeggen: streeft naar maximum entropie, dat is een term uit de thermodynamica. Het komt in de natuur niet voor dat uit een 'oerchaos' een gestructureerde, logische omgeving ontstaat. 
 

Het systeem metaal plus zuurstof heeft een grotere energie-inhoud dan het systeem metaaloxide. Daarom zal een onedel metaal in aanwezigheid van zuurstof ernaar streven metaaloxide te worden.
Dit is de verklaring waarom corrosieverschijnselen schijnbaar vanzelf verlopen.

Er kunnen maatregelen worden genomen om de keer van onedele metalen naar hun ertstoestand te vertragen of gedurende lange tijd te verhinderen. Tot de meest effectieve maatregelen behoren de oppervlaktebehandelingen van metalen. Zonder deze oppervlaktebehandelingen zouden deze metalen in de praktijk niet bruikbaar zijn.

Chemische corrosie   

Corrosieverschijnselen, waarbij uitsluitend chemische invloeden werkzaam zijn, treft men bij de dagelijkse omgang met metalen weinig aan. 
De meest voorkomende vorm daarvan is de aantasting van metalen bij verhitting in de lucht. Men spreekt dan meestal van oxidatie.
Oxidatie van metalen, die in de lucht verhit worden, is een chemische reactie met zuurstof. Deze reactie verloopt snel bij hoge temperatuur, zoals bij gloeibewerkingen.
Op koper of ijzer ontstaan dan zwarte of donkergrijze oxidelagen. 
Zuiver chemische corrosie treft men verder eigenlijk alleen aan in contact met bepaalde agressieve chemicaliën, zoals die voorkomen in de chemische industrie.

Elektrochemische corrosie   

Bij elektrochemische of natte corrosie van metalen treden naast chemische, ook elektrische verschijnselen op.
Er zijn meer elektrochemische verschijnselen dan corrosie. Wij noemen bijvoorbeeld de galvanotechniek (vernikkelen en verchromen), de werking van een elektrische batterij (beter gezegd: elektrisch element) en ook het opladen en stroom afnemen van een accu.
Het allereerste elektrische element dat ooit werd vervaardigd is het element van Volta. Dit bestaat uit een glazen bakje met verdund zwavelzuur, waarin een stukje zink en een stukje koper zijn geplaatst. Verbindt men deze twee metalen met een metaaldraad, dan gaat hierdoor een elektrische stroom lopen. Bij deze stroomlevering wordt het stukje zink aangetast.
In het element van Volta zijn de drie bestanddelen die nodig zijn voor het optreden van elektrochemische corrosie duidelijk aanwezig:

- eerste metaal (koper)
- tweede metaal (zink)
- de elektroliet (verdund zwavelzuur).

Een elektroliet is water, waarin stoffen zijn opgelost die dit water elektrisch geleidend maken. Dit zijn in het algemeen zuren, basen of zouten. (Zuiver water is een elektrische isolator.)
De metalen in een elektrisch element behoeven niet noodzakelijk koper en zink te zijn. Dat kunnen in feite alle metaalcombinaties zijn. Een
Zaklantaarnbatterij bestaat uit een zinken busje, met een koolstaaf en daartussen een vochtige, chemische massa, de elektroliet.

Kiest men een willekeurige combinatie van twee metalen uit de spanningsreeks, dan zal in een elektrochemisch element altijd het metaal, dat aan de onedele kant staat, worden aangetast. Het metaal, dat het meest naar de edele kant staat, wordt niet aangetast, maar het wordt zelfs beschermd.
Onderstaande tabel geeft een andere manier om bij elektrochemische corrosieverschijnselen te voorspellen welk metaal zal worden aangetast en welk niet. Bovendien is in deze tabel rekening gehouden met een aantal in de praktijk vaak voorkomende omstandigheden, die de optredende corrosie kunnen versnellen of eventueel zo kunnen vertragen, dat praktisch geen corrosie optreedt.

Tabel  De praktijk van corrosie bij metaalcombinaties   
 

Elektrochemische corrosieverschijnselen berusten dus op de vorming van een elektrisch element. Combineert men twee metalen met elkaar en gebruikt men deze in een vochtige omgeving, dan is aan alle voorwaarden voldaan voor het vormen van een elektrisch element, waarbij één van deze metalen wordt aangetast. De plaats van de spanningsreeks bepaalt dan welk metaal dit zal zijn. Combineert men ijzer met koper, dan zal een corrosie-element ontstaan, waarbij het ijzer wordt aangetast. Combineert men echter hetzelfde ijzer met zink, dan zal zink, dat op een onedeler plaats in de spanningsreeks voorkomt, worden aangetast, terwijl het ijzer nu beschermd wordt.

Macro-elementen   

Een macro-element (macro = groot) wordt gevormd, wanneer twee grotere stukken van verschillende metalen in een corroderende omgeving met elkaar in aanraking worden gebracht. Zulke gevallen doen zich voor, wanneer men een stalen bout draait in een koperen plaat, wanneer men messing schroeven gebruikt om aluminium gietstukken met elkaar te verbinden en wanneer men een zinken dakgoot ophangt met koperen beugels.
In een macro-element zijn de drie essentiële bestanddelen van een elektrochemisch element aanwezig: eerste metaal, tweede metaal en de elektroliet. Deze elektroliet is vocht uit de omgeving, dat altijd verontreinigd is door stoffen die in de lucht voorkomen (denk aan zure regen). Een voorwaarde is dat de metalen met elkaar in elektrisch contact zijn.

Wanneer de metaalcombinatie afgedekt is door een verflaag, zodat de elektroliet van het metaaloppervlak verwijderd wordt gehouden, ontstaat geen macro-element. Ook als de twee metalen elektrisch geïsoleerd van elkaar worden gehouden ontstaat geen element.
Dat zijn dus methoden om corrosie te bestrijden.

Lokaalelementen   

Onder lokaalelementen (lokaal = plaatselijk) verstaat men kleine elektrische corrosie-elementjes, die zich bijvoorbeeld vormen als er op of in het metaal kleine deeltjes van een ander metaal aanwezig zijn. Ook hier heeft men dus te maken met het eerste metaal, het tweede metaal en een elektroliet. Een lokaalelement is niet principieel verschillend van een macro-element, maar slechts gradueel verschillend. Eén van de twee metalen is zeer fijn verdeeld.
Een vaak voorkomende vorm van lokaalelementen treft men aan bij metaallegeringen, die vaak bestaan uit kristallen van verschillende samenstelling.
Ook in onzuivere metalen kunnen gemakkelijk dergelijke lokaalelementen ontstaan. Dit is de reden, waarom zeer zuivere metalen in het algemeen een belangrijk betere corrosieweerstand bezitten dan onzuivere metalen.

Lokaalelementen kunnen ook ontstaan, wanneer een metaaloppervlak van buitenaf wordt verontreinigd door een ander metaal, zoals resten staalwol op een magnesiumlegering, koperslijpsel van tramdraden op aluminium winkelpuien en kooldeeltjes (roet) die zich afzetten op aluminium vliegtuigvleugels.

Verschijningsvormen van corrosie   

Vooral elektrochemische corrosie kan onder verschillende verschijningsvormen optreden.

Oppervlaktecorrosie is een gelijkmatige aantasting over het gehele oppervlak van het voorwerp, waardoor het uiterlijk minder fraai wordt, doordat glansverlies optreedt. De sterkte van een constructie wordt door oppervlaktecorrosie nauwelijks beïnvloed.

Putcorrosie treedt plaatselijk op en laat soms grote delen van het oppervlak onaangetast. De plaatselijke aantasting, vaak pitting genoemd, kan echter diep inwerken en bij dunwandige voorwerpen en buizen kan deze zelfs tot perforatie leiden.

Interkristallijne corrosie is een corrosievorm, waarvan aan het oppervlak vaak niets te zien is. De corrosie vindt plaats langs de kristalgrenzen, waarbij de kristallen van het metaal zelf onaangetast blijven. De verbindingen worden verbroken, zodat het metaal letterlijk als los zand aan elkaar komt te hangen. Bij interkristallijne corrosie behoeft slechts een kleine hoeveelheid metaal te worden gecorrodeerd om toch een grote schade aan de sterkte van de constructie teweeg te brengen. Interkristallijne corrosie leidt tot breuk.

Bladdercorrosie is een speciale vorm van interkristallijne corrosie, die optreedt bij gewalst of gesmeed metaal, waarvan de kristallen in lengterichting zijn uitgerekt.

Omstandigheden die corrosie versnellen   

Door verschillende omstandigheden kan een elektrochemisch corrosieverschijnsel sneller of langzamer gaan verlopen.
Voor de praktijk van de corrosieverschijnselen zijn vooral díe omstandigheden schadelijk, die een versnelling van de corrosie tot gevolg hebben. Dit zijn:

Vertragen van corrosie   

Vertragen van corrosieverschijnselen kan op diverse manieren gebeuren. Wij bespreken er hier twee.

Inhibitoren   

Onder inhibitoren verstaat men stoffen, die in staat zijn chemische of elektrochemische reacties te vertragen of zelfs geheel tot stilstand te brengen. Men noemt ze ook wel negatieve katalysatoren.
Stoffen van zeer uiteenlopende samenstelling kunnen als corrosie-inhibitor optreden. Dat zijn bijvoorbeeld oxiderende stoffen, zoals chromaten, maar er zijn ook tal van organische verbindingen (koolstofverbindingen) van ingewikkelde samenstelling, die als inhibitor kunnen werken.
Belangrijk voor de werking van een inhibitor is dat men deze voldoende lang met het metaaloppervlak in aanraking kan brengen om de corrosieverschijnselen tegen te gaan. Een inhibitor die door weer en wind wordt afgespoeld heeft weinig of geen effect.
Inhibitoren gebruikt men daarom hoofdzakelijk in gesloten systemen, zoals ketelvoedingwater, of men neemt ze op in een verflaag. Corrosiewerende pigmenten zijn voorbeelden daarvan.

Voor tijdelijke opslag van materialen zijn corrosie-inhibitoren van belang die in dampvorm werkzaam zijn, zoals VPI (Vapour Phase Inhibitor). 
Deze stof, die langzaam verdampt, vult een gehele gesloten ruimte, bijvoorbeeld een gesloten verpakking, zodat daarin geen corrosie kan optreden.

Passiviteit   

Onder bepaalde omstandigheden kan het voorkomen dat het metaaloppervlak in een toestand komt, waarin een onedel metaal vrijwel geen corrosie meer vertoont. Het metaal is dan passief geworden.
In tabel zijn enige metalen in actieve en in passieve toestand opgenomen, waardoor men kan zien hoe een metaal door passief te worden een andere plaats krijgt in de spanningsreeks.
Passiviteit kan door een groot aantal oorzaken worden verkregen, maar in veel gevallen speelt zuurstof hierbij een rol. Er wordt dan een dun oxidelaagje op het metaal gevormd, dat als een elektrische isolator werkt, waardoor de elektrochemische verschijnselen worden afgeremd.
Zuurstofafgevende stoffen bevorderen daardoor het ontstaan van passiviteit. Dit verschijnsel treedt duidelijk op bij roestvast staal, dat na enige tijd aan de lucht te zijn blootgesteld passief wordt, maar dat veel sneller kan worden gepassiveerd door onderdompeling in een passiveermiddel, in het algemeen een oxiderende stof.
De inhibitorwerking van chromaten berust ook op de passivering van het metaaloppervlak.

Metaalbedekkingen   

Men kan een onedel metaal met een ander metaal bedekken, waardoor de corrosie wordt tegengegaan.
Men moet daarbij onderscheid maken tussen een deklaag die edeler is dan het grondmetaal, bijvoorbeeld koper op staal of die onedeler is, bijvoorbeeld zink op staal.
In het eerste geval moet de deklaag volkomen gesloten zijn en er mag geen enkele beschadiging in voorkomen. Gebeurt dat wel, dan zal de edeler deklaag sterke corrosie van het onedele grondmetaal veroorzaken.
Men kon dit vroeger vaak waarnemen bij verchroomde autobumpers waarop roestputjes voorkomen. De nikkel-chroomlaag is edeler dan het grondmetaal staal en wanneer een porie aanwezig is zal direct roestvorming optreden.
Is het bedekkende metaal onedeler dan staal, dan zal op de plaats waar een porie of een beschadiging aanwezig is het onedele metaal zich opofferen. Het staal blijft dan beschermd. Zink op staal is daarvan het bekendste voorbeeld.

Organische deklagen   

Eén van de meest gebruikte methoden voor het beschermen van metalen tegen corrosie is het aanbrengen van geschikte laksystemen of poedercoatings. 
Deze organische deklagen ontlenen hun werking in de eerste plaats aan een goede afdekking, maar vaak bevatten ze ook nog actief corrosiewerende stoffen, zoals corrosiewerende pigmenten, waardoor de beschermende werking nog extra wordt versterkt.

Kathodische bescherming   

Vrijwel steeds is de corrosie die bij metalen optreedt een elektrochemisch verschijnsel, waarbij aan het metaaloppervlak kathodische en anodische plaatsen optreden. De anodische plaatsen zijn plaatsen waar de metaalatomen overgaan in de ionvorm (een ion is een elektrisch geladen atoom) en daardoor in oplossing gaan.
Door volgreacties vormen zich uit het opgeloste metaal meestal onoplosbare verbindingen die neerslaan en zich als corrosieproducten afzetten. Tussen de kathodische en anodische plaatsen van het metaal bestaat een elektrische spanning, ten gevolge waarvan een elektrische stroom gaat vloeien. Door het aanleggen van een uitwendige spanning, die een tegengesteld gerichte stroom opwekt, is het mogelijk het gehele metaal kathodisch te maken, waardoor geen metaalatomen meer in oplossing kunnen gaan. Het corrosieverschijnsel stopt dan. Dit is kathodische bescherming.
Kathodische bescherming wordt vooral toegepast voor staalconstructies die ondergedompeld zijn in water of voor ondergrondse structuren. Men past kathodische bescherming ook toe voor het inwendige van tanks en chemische installaties, als de daarin aanwezige vloeistoffen zich voor deze beschermingsmethode lenen.
Kathodische bescherming kan op twee manieren worden uitgevoerd:

- met opofferende anoden
- met opgedrukte gelijkspanning.