Bescherming tegen galvanische corrosie van aluminium en zijn legeringen
In tal van constructies worden aluminium en zijn legeringen in combinatie met andere metalen en legeringen gebruikt. Dit kan onder bepaalde omstandigheden aanleiding geven tot galvanische corrosie. Het is dus zaak om enig inzicht te hebben welke combinaties tot corrosieschade zullen en welke niet en wat er tegen deze vorm van corrosie kan worden ondernomen.
Galvanische corrosie
De oplossing-potentiaalwaarden in de tabellen 1a tot en met 1d, zoals gemeten ten opzichte van de standaard kalomelelektrode, vormen een galvanische reeks voor aluminimlgeringen en andere metalen. De galvanische relaties die door deze waarden worden aangegeven hebben brede toepasbaarheid wegens het overeenkomstige elektrochemische gedrag van deze metalen in de NaCl oplossing met dat in zeewater en andere zoutwatermilieus. Deze galvanische reeks is echter niet noodzakelijk geldig in niet-zoute oplossingen. Zo is aluminium anodisch ten opzichte van zink in een waterige 1 M natriumchromaat (NaCrO4) oplossing, maar is kathodisch ten opzichte van ijzer in een waterige 1 M natriumsulfaat (Na2SO4) oplossing. Onder de meeste milieu condities die zich vaak voordoen tijdens gebruik, vormen aluminium en zijn legeringen anodes in galvanische cellen met de meeste andere metalen, waarbij deze andere metalen worden beschermd doordat aluminium in oplossing gaat. Alleen magnesium en zink zijn sterker anodisch. Als aluminium en cadmium worden gekoppeld in een galvanische cel, dan is de corrosie van hetzij het ene hetzij het andere metaal slechts licht wegens het geringe verschil in elektrodepotentiaal.
Contact van aluminium met kathodischer metalen dient te worden vermeden in elk milieu waarin aluminium van zichzelf onderhevig is aan putcorrosie. Waar een dergelijk contact onvermijdelijk is, dienen er beschermende maatregelen te worden getroffen om corrosie van het aluminium tot een minimum te beperken. In een dergelijk milieu is aluminium alreeds gepolariseerd tot zijn putcorrosiepotentiaal en de bijkomende potentiaal als gevolg van contact met het kathodischer metaal verhoogt de corrosiestroom in sterke mate. In veel milieus kan aluminium worden gebruikt in contact met chroom of met roestvast staal met slechts geringe corrosie van het aluminium. Chroom en roestvast staal zijn makkelijk kathodisch te polariseren in niet al te agressieve milieus, zodat de corrosiestroom klein is ondanks het grote verschil in open-circuitpotentialen tussen deze metalen en aluminium. Om de corrosie van aluminium in geval van niet te vermijden contact met kathodischer metalen tot een minimum te beperken, dan dient de verhouding van het geëxposeerde aluminiumoppervlak tot dat van het kathodischer metaal zo hoog mogelijk te zijn om de stroomdichtheid aan het aluminium zo klein mogelijk te houden en daarmee de ook de corrosiesnelheid. De oppervlakteverhouding kn worden vergroot door het verven van het kathodische metaal of van beide metalen, maar verven van alleen het aluminium moet worden vermeden, omdat dit niet effectief is en in geval van kleine openingen in de verflaag de corrosie van het aluminium aanzienlijk kan versterken aangezien er dan sprake is van een zeer klein aluminiumoppervlak in contact met een zeer groot kathodisch-metaaloppervlak.
Corrosie van aluminium in contact met kathodischer metalen is minder ernstig in oplossingen van de meeste niet-halide zouten, waarin aluminium gewoonlijk niet is gepolariseerd tot aan zijn putcorrosiepotentiaal, dan in oplossingen van halidezouten, waarin aluminium wel tot aan zijn putcorrosiepotentiaal is gepolariseerd. Zoals is te zien op afbeelding 1, hebben potentiaalstijgingen geringe invloed op de stroomdichtheid zolang de waarde de putcorrosiepotentiaal maar niet wordt bereikt. Galvanische stroom tussen aluminium en een ander metaal kan ook worden verminderd door het verwijderen van oxiderende stoffen uit de elektrolyt. De corrosiesnelheid van aluminium dat is gekoppeld aan koper in zeewater wordt sterk gereduceerd als het zeewater wordt ontlucht. In gesloten meervoudige-metaalsystemen, is de corrosiesnelheid van aluminium aanvankelijk hoog, maar neemt af tot een lage waarde zodra de kathodische reactant uitgeput raakt. Galvanische stroom is ook laag in oplossingen met een hoge soortelijke weerstand, zoals hoog-zuiver water. Sommige halfgeleiders echter, zoals grafiet en magnetiet, zijn kathodisch ten opzichte van aluminium en aluminium zal dan corroderen als het met deze stoffen in aanraking komt.
Tabel 1(a). Oplospotentialen van niet-warmtebehandelbare commerciële kneedlegeringen. (Waarden zijn hetzelfde voor alle toestanden van elke legering).
Tabel 1 (b). Oplospotentialen van warmtebehandelbare commerciële kneedlegeringen.
Tabel 1 (c). Oplospotentialen van gietlegeringen.
Tabel 1 (d). Oplospotentialen van enkele niet-aluminium basismetalen.
Alcladproducten
Bij Alcladproducten wortd gebruik gemaakt van het verschil in oplospotentiaal tussen de kernlegering en de bekledingslegering om de kern kathodisch te beschermen. Deze producten, voornamelijk dunne plaat en pijp, bestaan uit een kern die is bekleed aan een of aan beide zijden met een metallurgisch gebonden laag van een legering die anodisch is ten opzichte van de kernlegering. De dikte van de bekledingslaag is gewoonlijk minder dan 10% van de totale dikte van het product. Bekledingslegeringen zijn doorgaans van het niet-warmtebehandelbare soort, hoewel warmtebehandelbare legeringen soms worden gebruikt voor hogere sterkte. In mechanische-ontwerpberekeningen, worden dit soort opofferingsbekledingen behandeld al corrosietoeslagen en ze worden normaliter niet opgenomen in de bepaling van de sterkte van een Alcladproduct. De samenstellingen van kern en bekleding worden zodanig op elkaar afgestemd, dat de bekleding 80 tot 100 mV anodisch is ten opzichte van de kern. Tabel 2 geeft een lijst van verscheidene kernlegering/bekledingslegering combinaties voor gangbare Alcladproducten. Als gevolg van de kathodische bescherming door de bekleding, strekt de corrosie zich uit van de bekleding tot aan het grensvlak met de kern, waarna de corrosie zich in de breedte uitbreidt. Dit is zeer effectief bij het elimineren van perforaties van dunwandige voorwerpen.
Oppervlaktebehandelingen
Diffusiebekleding produceert een effect dat overeenkomt met dat van conventionele opofferende bekleding. Met dit proces kunnen aluminium voorwerpen worden bekleed ongeacht hun vorm. Het proces bestaat uit twee stappen: eerst wordt er een dunne zinklaag neergeslagen door middel van een chemische verdringingsreactie uit een basische zinkaatoplossing op het aluminiumoppervlak, vervolgens diffundeert het zink in het aluminium waarbij er een met zink verrijkte legering ontstaat die anodisch is ten opzichte van het onderliggende aluminium. Er is gevonden dat aluminium 3003 met een correct gebalanseerde zinkdiffusiebehandeling uniforme corrosie vertoont en dat de corrosiediepte beperkt bleef tot ongeveer halverwege de diffusiezone. Deze resultaten wijzen erop dat een zinkdiffusiebehandeling net zo effectief kan zijn als conventioneel Alclad voor de preventie van putcorrosie Een ander alternatief voor Alclad is het aanbrengen van een anodische legering op een aluminiumoppervlak met behulp van spuittechnieken, zoals vlam-, of plasmaspuiten. Dergelijke deklagen fungeren op dezelfde wijze als de Alcladlaag en corroderen waarbij ze de kernlegering beschermen.
Kathodische bescherming
Bij sommige toepassingen worden aluminium onderdelen, constructies en pijpleidingen kathodisch beschermd met behulp van anodes die hetzij zijn gemaakt van anodischer metalen of die anodisch zijn gemaakt door middel van opgedrukte potentialen. In beide gevallen zal, omdat de gangbare verlopende kathodische reactie hydroxylionen produceert, de stroom aan deze legeringen niet hoog genoeg zijn om de oplossing voldoende basisch te maken om corrosie van betekenis te kunnen veroorzaken. Het criterium voor kathodische bescherming van aluminium in de bodem en in water is ooit gepubliceerd door de National Association of Corrosion Engineers (NACE). De aanbevolen praktijk is om de potentiaal ten minste -0,15 V te verschuiven, maar niet voorbij een waarde van -1,20 V gemeten ten opzichte van een verzadigde kopersulfaat (Cu/CuSO4) referentie elektrode. Als opofferingsanode wordt veel gebruik gemaakt van zink of van aluminium-zink legeringen. De bescherming met deze opofferingsanodes heeft het meeste succes in elektrolyten in het pH bereik van 4 tot 8,5, het zogenaamde neutrale bereik. Begraven aluminium pijpleidingen worden gewoonlijk beschermd met opofferingsanodes: zink voor beklede leidingen en magnesium voor onbeklede leidingen.
Tabel 2. Combinatie van aluminiumlegeringen zoals gebruikt in sommige Alclad producten.
Het gebruik van deklagen zoals geëxtrudeerd polyethyleen of tape wikkelingen is vrij algemeen voor aluminium pijpen voor ondergronds gebruik.Wegens de effectiviteit en langdurigheid van opofferingsanode-systemen en de noodzaak om overbescherming te voorkomen, worden systemen met opgedrukte stroom doorgaans niet gebruikt voor de bescherming van aluminium pijpleidingen. Voor kathodische bescherming van aluminiumlegeringen in zeewater blijken opofferingsanodes effectief te zijn bij het reduceren van putcorrosie en spleetcorrosie zonder dat er sprake is van kathodische aantasting.
Afbeelding 1. Anodische polarisatiekromme voor aluminiumlegering 1100. Monsters werden ondergedompeld in een neutrale, ontluchte NaCl oplossing die vrij was van kathodische reactanten. Putten ontwikkelen zich alleen bij potentialen die kathodischer zijn dan de putcorrosiepotentiaal Ep. Het snijpunt van de anodische kromme van aluminium (getrokken lijn) met een kromme van de toepasbare kathodische reactie (een van de weergegeven stippellijnen) bepaalt de potentiaal waarop het aluminium is gepolariseerd, hetzij door de reactie aan het aluminium zelf, hetzij door een ander metaal dat er elektrisch geleidend mee is verbonden. De potentiaal waarop het aluminium is gepolariseerd door een specifieke kathodereactie bepaalt de corrosiestroomdichtheid en de corrosiesnelheid.