Korroosion estäminen

Korroosion estäminen on metallin pinnan tai ympäristön käsittelyä korroosion eli materiaalin kemiallisen vahingoittumisen estämiseksi.

Korroosio on ympäristön vaikutuksesta tapahtuvaa materiaalin muuttumista käyttökelvottomaan muotoon. Materiaalin vahingoittuessa se liukenee tai reagoi ympäristössä olevien aineiden kanssa. Esimerkiksi ilmassa oleva happi, vesi, auringonvalo ja maa-aines aiheuttavat korroosiota. Korroosio perustuu sähkökemialliseen tai kemialliseen ilmiöön. Lisäksi ympäristö voi vaikuttaa mekaanisesti korroosion nopeuteen ja syntymiseen mekaanisesti. Korroosion estäminen voidaan jakaa kahteen eri osaan: vaikuttamalla itse metalliin tai vaikuttamalla metallin ympäristöön.

Korroosion estämiseen on useita eri tapoja. Hyvä tapa torjua on estämällä anodi- tai katodireaktio sekä katkaisemalla virtapiiri korroosiota aiheuttavasta sähkökemiallisesta reaktiosta. Virtapiiri katkeaa, kun kosteuden eli elektrolyytin pääsy metallipinnoille saadaan estettyä. Ulkotiloissa elektrolyytin pääsy metallipinnoille saadaan estettyä suojaamalla pinta ympäristöstä pinnoitteiden avulla. Pinnoitteita ovat esimerkiksi erilaiset ruosteenestomaalit ja metallipinnan sinkitys. Metallisen pinnoitteen ollessa epäjalompi kuin suojattava pinta, pinnoite syöpyy helpommin kuin suojattava rakenne. Tällöin pinnoite ”uhrautuu” galvaanisen korroosion seurauksena, joka suojaa rakennetta katodisesti.

Korroosion estäminen vaikuttamalla metalliin

Pinnoittaminen

Yksi helpoimmista ja halvimmista tavoista estää korroosiota, on käyttää pinnoitteita, kuten maalia, muovia tai jauhetta. Jauheet, mukaan lukien epoksi, nylon ja uretaani, tarttuvat metallipintaan luoden ohuen kalvon. Muovia ja vahoja suihkutetaan usein metallipinnoille. Muovit ja vahat toimivat suojakerroksina metallipinnalla, estäen kosteuden ja hapen pääsyn metallin pintaan vähentäen näin korroosion todennäköisyyttä. Maali toimii suojakerroksena ja estää ionien pääsyn metallien pinnalle ja estää näin ollen korroosiota aiheuttavan sähkökemiallisen virran kulkeutumisen. Nykyiset maalaustekniikat koostuvat eri maalikerroksista, jotka palvelevat erilaisia tarkoituksia. Pohjamaalikerros toimii inhibiittorina korroosion kemiallisella reaktiolla, välimaali kerrostuu maalin kokonaispaksuuteen ja pintamaali tarjoaa vastustuskyvyn ympäristötekijöille.

Suurin haittapuoli pinnoitteilla on, että ne voivat usein kulua pois, jolloin pinnoite on poistettava kokonaan ja levitettävä uudestaan. Pinnoitteet, jotka eivät ole oikein levitetty, voivat nopeasti epäonnistua ja johtaa lisääntyneeseen korroosioon. Pinnoitteet sisältävät usein haihtuvia orgaanisia yhdisteitä, jotka tekevät niistä haitallisia ihmisille ja ympäristölle.

Galvanointi

Galvanointi eli sinkitys on prosessi, jossa teräspinnalle luodaan sinkkikerros suojaamaan sitä korroosiolta. Sinkki on epäjalompi metalli, kuin teräksen sisältämä rauta, joten korroosio vaikuttaa ensin siihen. Tämä ilmiö perustuu sähkökemialliseen korroosioon, jossa kahden kosketuksissa olevan metallin välillä tapahtuu hapetus-pelkistysreaktio. Eli epäjalompi metalli, kuten sinkki, toimii elektroneja luovuttavana anodina ja hapettuu eli ruostuu. Katodina eli elektroneja vastaanottavana aineena toimii jalompi metalli eli rauta. Tällöin vain päällyste voi ruostua mutta itse teräksen rauta ei pääse ruostumaan.

Katodi reaktio:

O₂ + 2 H₂O + 4 e^- → 4 OH^-

Anodi reaktio:

2 Zn + O₂ → 2 ZnO

Sinkitys voidaan toteuttaa eri menetelmillä, joista yleisimmät ovat sähkösinkitys ja kuumagalvanointi. Galvanoinnin lopputuloksena teräkselle muodostuu kiinnittyvä, tiivis ja vedenpitävä sinkkikarbonaattikerros, joka suojaa terästä korroosiolta. Galvanoinnin jälkeen pinnan ulkonäkö voidaan kohentaa maalaamalla sitä.

Kuumagalvanointi

Selkeästi yleisin galvanointi menetelmä on kuumagalvanointi. Kuumagalvanoinnissa teräspinnat upotetaan sulatettuun sinkkiin, jolloin metallit sekoittuvat ja muodostavat kestävän, suojaavan kerroksen. Kuumagalvanointi voidaan tehdä joko upottamalla kappaleet sinkkiin, ruiskuttamalla sulaa sinkkiä kappaleiden päälle tai käyttämällä rullagalvanointia. Kuumagalvanointi koostuu kolmesta vaiheesta, jotka ovat puhdistus, esikäsittely ja galvanointi. Kaikki pinnoitetut metallit, kuten putket, joissa on maalia tai lakkaa, puhdistetaan päällysteestä esimerkiksi hiekkapuhaltamalla. Tämän jälkeen loput jäänteet ja epätasaisuudet puhdistetaan laimeassa hapossa ja vesiputsauksessa. Putsauksen jälkeen kuumagalvanoinnissa suoritetaan esikäsittely. Esikäsittelyssä kappaleet upotetaan juoksutekylpyyn lyhyeksi ajaksi, jossa kappaleiden pinnalle muodostuu ohut suojaava kerros. Kerroksen tehtävänä on estää oksidien muodostumista metallin pinnalle. Juoksutekylpy on yleensä sinkkiammoniumkloridia. Tämän jälkeen suoritetaan itse galvanointi. Galvanoinnissa metallikappaleet sijoitetaan kuumaan noin 460 °C sinkkikylpyyn, jossa metalli, kuten rauta ja sinkki, reagoivat keskenään kemiallisesti. Raudan pintaan syntyy pinnoite, joka koostuu rautasinkkifaaseista. Rautasinkkifaasit riippuvat raudan ja sinkin pitoisuudesta seoksessa sekä seoksen lämpötilasta. Kolme yleisintä rautasinkkifaasia ovat delta-, gamma- ja eta-faasi. Delta-faasi muodostuu, kun sinkin pitoisuus seoksessa on alhainen. Eta-faasi muodostuu, kun sinkin pitoisuus seoksessa on korkea. Kun raudan ja sinkin pitoisuudet ovat lähellä toisiaan, syntyy gammafaasi. Kuumagalvanoinnissa syntyy tyypillisesti sähkösinkitystä paksumpi sinkki kerros, sen kokoluokka on noin 60–150 µm.

Ero suojaamattoman postilaatikon ja galvanoidun seinän välillä.

Kuumagalvanointi voidaan jakaa kolmeen eri menetelmään riippuen kappaleiden tyypistä ja muodosta.

• Kappaletavara sinkitys linkosinkityksenä
• Teräsohutlevyn sinkitys kuuma sinkityslinjalla
• Kestokuumasinkitys moniulotteisille pinnoille

Menetelmillä on erilaiset ominaisuudet, joiden huomioiminen on tärkeää menetelmän valinnassa. Kappaletavara sinkitys linkosinkityksenä antaa tasaisen, kiiltävän ja hopeanvärisen pinnoitteen kappaleille. Sen muodostama sinkkikerroksen paksuus on 7–40 µm kokoluokkaa riippuen vaatimuksista. Teräsohutlevyn sinkitys kuumasinkityslinjalla antaa epätasaisen kidekuvioisen pinnan, jossa on kiiltävä ja ohut hopeinen pinta tai paksu ja mattapintainen sinkkipinnoite. Tämä menetelmä täyttää hyvin kappaleen epätasaisuudet ja suojaa kappaletta erittäin pitkään. Kestokuumasinkitys moniulotteisille pinnoille on hyvä menetelmä sinkkipinnoituksen luomiseen moniulotteisille kappaleille, kuten putkille ja ajoneuvojen rungoille. Menetelmän ansiosta sinkki pääsee myös putkien sisäpintoihin ja muihin vaikeasti saavutettaviin paikkoihin. Kappaleiden muotoilussa ja suunnittelussa on tärkeää huomioida tarvittavat aukot, jotta ylimääräinen sinkki pääsee pois rakenteista ja pinnalle muodostuu tasainen pinnoitekerros.

Sähkögalvanointi

Sähkögalvanointi eli sähkösinkitys on yksi yleisimmistä galvanointimenetelmistä, jota usein käytetään suojaavan sinkkikerroksen luomiseen. Siinä teräspinnat upotetaan sinkkisuolaliuokseen ja yhdistetään tasavirtalähteeseen, jonka jälkeen sinkki saostuu teräspinnalle. Menetelmä sisältää teräspinnan puhdistuksen, upottamisen sinkkisuolaliuokseen ja yhdistämisen tasavirtalähteeseen. Anodina toimivat puhtaasta sinkistä tehdyt levyt tai pallot, ja elektrolyytti voi olla hapan, neutraali tai emäksinen riippuen pinnoitteen vaatimuksista. Esimerkiksi hapan elektrolyytti tuottaa tarkan pinnoitteen ja sopii pienille kappaleille ja monimutkaisille muodoille. Lisäksi se antaa kirkkaan pinnoitteen ja sitä voidaan käyttää tarkat laatuvaatimukset omaavissa instrumenteissa. Emäksinen elektrolyytti valitaan, kun kyseessä on suuremman kokoluokan kappaleet. Emäksinen elektrolyytti tuottaa pinnoitteen nopeammin. Lisäksi se antaa pinnalle suuremman tarttuvuuden, paksumman pinnoite kerroksen ja siten myös vahvemman korroosio suojan.

Kun virta kytketään päälle, sinkki alkaa liueta anodista ja kulkeutua elektrolyytin välityksellä teräspinnalle (katodi), jonne se saostuu. Suuret kappaleet ripustetaan yleensä koukkuihin, kun taas pienemmät esineet upotetaan elektrolyyttiin rummussa.

Sähkösinkityksen ominaisuuksiin kuuluu erittäin tasainen ja hopeanhohtoinen pinta, joka suojaa terästä korroosiolta kerroksen paksuudesta riippuen. Kuljetuksen ja varastoinnin ajaksi sinkki voidaan passivoida, jolloin pinnasta tulee eri värinen riippuen muodostuneesta sinkkiyhdisteestä. Keltainen tai sininen väri syntyy, koska kappaleen pinnalle muodostuu sinkkikromaattikerros. Musta väri tulee sinkkioksidista ja vihreä väri tulee sinkkikloridin tai sinkkisulfaatin muodostumisesta. Sähkösinkitys tuottaa standardien mukaisia kerroksia, joiden paksuus on yleensä 3, 5, 8, 12 tai 25 µm. Eripaksuisia pinnoitteita tuotetaan käyttötarkoituksen ja laatuvaatimusten mukaan. Paksuuteen vaikuttaa muun muassa virrantiheyden vaihtelu sekä aika kuinka pitkään sinkitystä tehdään. Yleisesti paksummat pinnoitteet tuottavat vahvemman korroosiosuojan. Toisaalta eri paksuudet antavat myös erilaisen ulkonäön kappaleille.

Anodisuojaus

Yksi tapa suojata pinta korroosiolta on anodisuojaus, jossa suojattava pinta pinnoitetaan vähemmän herkästi reagoivalla metallilla, kuten tinalla tai kromilla. Tämä pinnoite suojaa pinnan korroosiolta niin kauan kuin se pysyy paikallaan. Anodisointi muodostaa sähkövirran avulla suojaavan oksidipinnoitteen metallin pinnalle. Anodisuojauksen nimi tulee siitä, että suojattavasta metallipinnasta tulee anodi. Anodisuojauksella suojataan usein hiiliteräksestä valmistettuja varastosäiliöitä, joissa varastoidaan esimerkiksi 50-prosenttista lipeää ja rikkihappoa. Tällaisessa ympäristössä katodisuojausta (galvanointia) ei voida käyttää, sillä metallipinta altistuu voimakkaille korroosiota aiheuttaville tekijöille, kuten happamille liuoksille. Tällöin katodisuojaus vaatii paljon sähkövirtaa suuren korroosiovaikutuksen estämiseksi.

Korroosion estäminen vaikuttamalla metallin ympäristöön

Korroosio johtuu kemiallisesta reaktiosta metallin ja ympäröivän hapen välillä. Ympäristöä hallitsemalla ei-toivotut reaktiot voidaan minimoida. Hyviä toimenpiteitä ovat rikin, kloorin tai hapen määrän hallinta ympäröivässä ympäristössä. Etenkin ilman happipitoisuuden alentamisella saadaan korroosiota hidastettua merkittävästi, sillä korroosio tarvitsee tapahtuakseen happea. Oikein käytettynä ja oikeassa muodossa rikkiä voidaan käyttää korroosiota estävänä suojana. Kloori puolestaan edistää korroosiota, sillä se toimii hapettimena. Yksinkertainen tapa estää korroosiota on vähentää metallin altistusta sateelle ja ilmakehässä olevalle kosteudelle.