MŰSZAKI KÉMIA ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK

1. MŰSZAKI KÉMIA ELŐADÁSOK GÉPÉSZMÉRNÖK HALLGATÓKNAK 5. Korrózió Dr. Bajnóczy Gábor BME Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék

2. AZ ELŐADÁS ANYAGA, KÉPEK, RAJZOK KIZÁRÓLAG OKTATÁSI CÉLRA, KORLÁTOZOTT HOZZÁFÉRÉSSEL HASZNÁLHATÓK ! INTERNETRE KORLÁTLAN HOZZÁFÉRÉSSEL FELTENNI TILOS !

3. KORRÓZIÓ ▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬▬ ▼ ▼ ▼ Kémiai Elektrokémiai Fizikai Anyagveszteség magas hőmérsékleten Anyagveszteség potenciál különbség hatására Repedés, törés a kristályok közötti összetartó erő gyengülése miatt tüzelőolaj vanádiumtartalma okozta korrózió

4. KÉMIAI KORRÓZIÓ Általában magas hőmérsékleten játszódik le. Előfordulás: kazánok tűztere, hőcserélőben a füstgáz oldalon. Megjelenés: általában egyenletes 1. Védőoxidréteg leoldódása: olajtüzelésnél az olaj vanádium és nátrium tartalmából viszonylag alacsony olvadáspontú vegyületek képződhetnek, amelyek leoldják az egyébként magas hőmérsékleten képződő védő oxid réteget. NaVO3 op: 630 °C V2O3 op: 690 °C NaVO3.Na2O.3V2O5 op. 480 °C

5. KÉMIAI KORRÓZIÓ 2. Sósav és klór okozta fémkorrózió: Sósav felszabadulás klórtartalmú tüzelőanyagok égetésekor; biomassza (KCl tartalom), lakossági hulladék (PVC tartalom). 4 HCl (gáz) + O2(gáz) = 2 Cl2(gáz) + 2 H2O (gőz) lassú folyamat (Deacon reakció) • Fe + Cl2 = FeCl2 • 2 FeCl2 + 3/2 O2 = Fe2O3 + 2 Cl2

6. Elektrokémiai korrózió szükséges és elégséges feltételei I. • Legyen két különböző potenciálú hely egymással fémes összeköttetésben. ΔE = (E10 – RT1/nF*lnc1) – (E20 – RT2/nF*lnc2) • Két különböző fém ( E10 ésE20 ) • Különböző koncentráció (c1 ésc2 ) • Különböző hőmérséklet ( T1 ésT2 ) • Azonos fém eltérő kristályszerkezettel (pl. hajlításnál rácstorzulás)

7. Elektrokémiai korrózió szükséges és elégséges feltételei II. • A két különböző potenciálú helyet kösse össze jól vezető elektrolit • Olvadékban mozgásképes ionok • Vizes oldatban nagy mozgékonységú ionok

8. Elektrokémiai korrózió szükséges és elégséges feltételei III. • Redukciós (elektron felvevő) folyamat lehetősége, depolarizátor jelenléte • 2 H+ + 2 e– = H2 • O2 + 2 H2O + 4 e– = 4 OH– • Cl2 + 2 e- = 2 Cl– A gépészmérnöki gyakorlatban a hidrogénion, az oldott oxigén és bizonyos helyeken ( pl. víztisztítás ) az elemi klór jelenléte okozza a korróziót

9. Két fém érintkezésekor miért mindig a negatívabb potenciálú fém korrodálódik ? - ΔG = Ecella*n*F + 0,4 Mindig a nagyobb mértékű ΔG csökkenés valósul meg, ezért korrodál a réz helyett a vas 0,47 V 1,25 V

10. Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor + +

11. Milleneumi szoborcsoport korróziója Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor

12. Központi fűtés Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor Rézcsővel azonos potenciálú forrasz anyag feltöltés ivóvízzel elektrolit Alumínium vagy acél radiátor rézcső Miért nincs korrózió a rézcső és radiátor csatlakozásánál ? ≈ zárt rendszerben elfogy az oldott oxigén !

13. Lúgosít a korrózió veszély miatt Vaslemez radiátort nem célszerű alumíniumra cserélni Vas csővezeték A ház fűtési rendszere le van választva a távhő vezetékéről, de feltöltésre és pótlásra a távhő vizét használják. Távhő ellátásnál azonban tilos a csővezeték anyagi minőségétől eltérő anyagi minőségű radiátort alkalmazni. Miért ? Az alumínium radiátort korrodálja a lúgos közeg

14. Elektrokémiai korrózió két fém csatlakozásakor Kristályközi korrózió vas Vastól eltérő potenciálú, idegen fém pl. réz

15. Ötvözetek korróziója Amennyiben nem jön létre az ötvöző anyagokból új vegyület a szilárd fázisban két alkotó érintkezik egymással mikroméretekben. Az öntött vas jelentős mennyiségű grafitot tartalmaz. A grafitváz és a vas között jelentős potenciálkülönbség van (vas a negatívabb ), így a vas megfelelő környezetben folyamatosan távozik a szerkezeti anyagból. A grafit az egyik legpozitívabb potenciálú szerkezeti anyag. Grafit potenciálja tengervízben telített kalomel elektródhoz képest:: + (0,3 - 0,2) V Vas potenciálja tengervízben telített kalomel elektródhoz képest : - (0,6 – 0,7) V

16. Ötvözetek korróziója Sárgaréz elcinktelenedése A sárgaréz: réz és cink ötvözete. Olcsóbb, mint a réz, képlékenyebb, jobb húzószilárdság A cink negatívabb potenciálú a réznél. A cink oldatba megy és cink-hidroxid, cink-karbonát tartalmú laza, puha szerkezetű kiválást okoz, amely eltömődést okozhat pl. szelepeknél. A meggyengült szerkezeti elem törhet • Környezeti tényezők: • kloridion, oxigén és széndioxid tartalmú víz, • lágyvíz, keményvíz, • lassú áramlású vagy pangó víz,

17. Potenciálkülönbség rácstorzulásnál Korrózió a hegesztési varratnál Hajlításnál torzul a fémrács, a torzult rész mindig negatívabb potenciálú a nem torzult részhez képest. varrat potenciálja hegesztett fém potenciálja

18. Koncentráció különbség okozta elektrokémiai korrózió Mélyedés a kristályok között Vízborítás esetén a mélyedés alja oxigénben szegényebb Vas felszínének mikroszkópos képe

19. Koncentrációkülönbség okozta korrózió (alározsdásodás)

20. Kloridionok okozta korrózió Az előző folyamat jelentősen felgyorsul klorid ionok jelenlétében (réskorrózió, crevice)

21. Biológiai korrózió Biológiai folyamat által előidézett elektrokémiai korrózió Szulfátredukáló baktériumok: oxigénmentes környezetben a katódon képződő hidrogént használják fel szulfát redukcióra 8 Hadszorbeált + SO42-→ S2- + 4H2O A képződő szulfid megtámadja fémet és laza fém-szulfidot képez A katódon adszorbeálódott hidrogént, amely fékezi a korróziót eltávolítja, így a korrózió gyorsul Fűtőolaj tartály kilyukadt fala. Gyakori korróziót okoz az olajiparban.

22. Biológiai korrózió A kénbaktérium oxigén tartalmú környezetben szulfid-iont kénsavvá tud oxidálni kénbaktérium telepek a falon betoncső Korrózió a földgáz vezetéken A csőben van víz és hidrogén-szulfid, amelyet a kénbaktérium kénsavvá oxidál. A képződő sav miatt lyukad ki a cső. Csatorna csövek korróziója

23. Biológiai korrózió Nyálka képzők, algák, kagylók: Főleg hűtővízkörben szaporodnak el. Ahol megtelepednek oxigén hiányos réteget hoznak létre a fedett és nem fedett fémfelületek között Biológiai folyamat által előidézett elektrokémiai korrózió

24. Kóboráram okozta korrózió

25. Korrózióra való hajlam előrejelzése,polarizációs görbe katódos áram redukció -> FÉM n+ + ne -▬▬▬▬▬▬▬▬ FÉM anódos áram <- oxidáció A katódos áramot illetve az anódos áramot a felülettel elosztva kapjuk anódos áramsűrűség: ja katódos áramsűrűség: jc jc = ja = j0 csereáram sűrűség Egyensúly esetén: Ha a fémen j sűrűségű külső áram folyik: ja = jc és j = ja - jc

26. Korrózióra való hajlam előrejelzése,polarizációs görbe A fémen áram akkor tud folyni, ha a fémen folyamatos elektron többletet vagy hiányt hozunk létre, azaz az egyensúly egy adott irányú eltolását valósítjuk meg. Ez akkor érhető el, ha a fém nyugalmi potenciálját megváltoztatjuk, azaz polarizáljuk az elektródot pozitív vagy negatív irányba. Nyugalmi potenciál Polarizációs potenciál Ep = Ej - Eo Adott j áramsűrűség eléréséhez szükséges potenciál A polarizációs potenciál másik elnevezése: túlfeszültség

27. Polarizációs görbe ▬▬ kis potenciál különbség hatására jelentős áram növekedés, gyors anyag átalakulás ▬▬ nagy potenciál különbség esetén is kis áram növekedés és lassú anyag átalakulás

28. Számítási gyakorlatok

29. Korróziósebesség számítása Egy korróziós vizsgálatnál az anódként viselkedő alumíniumon 1,00 mA/cm2 áramsűrűséget mértünk. Egyenletes oldódást feltételezve mekkora a várható anyagveszteség mm/év mértékegységben ? Az alumínium sűrűsége 2,70 g/cm2, atomtömege 27,0. Faraday állandó: 96500 As/mol ≈ 26,8 Aóra/mol Az alumínium anódosan viselkedik, tehát oxidációs reakció játszódik le. Al → Al 3+ + 3 e - Tételezzük fel, hogy a mért áramsűrűség 1 éven keresztül áll fenn. Az egy év alatt átáramlott töltés 1,00 mA * 365nap * 24 óra/nap = 8760 mAó ≈ 8,76 Aó 26,8 Aó hatására 27,0 / 3 = 9,00 g alumínium oldódik fel. ( Faraday törvény ) 8,76 Aó * 9,00 g = 2,94 g Al oldódik ki 1 cm2 felületen 1 év alatt Tehát 8,76 Aó esetén 26,8 Aó Az anyagveszteséget kiszámíthatjuk, ha a távozott tömeget megszorozzuk az alumínium sűrűségének reciprokával. g 1 cm3 2,94 * = 1,088 cm/év ≈ 1,09 cm/év = 10,9 mm/év cm2 * év 2,70 g