Definicja korozji wżerowej
Korozja wżerowa (ang. pitting corrosion) to lokalna forma korozji elektrochemicznej, charakteryzująca się powstawaniem głębokich, punktowych ubytków na powierzchni metalu. Proces ten prowadzi do tworzenia wżerów o nieregularnych kształtach, które mogą penetrować w głąb materiału, niekiedy bez wyraźnych objawów na zewnętrznej powierzchni. Wżery mogą powodować poważne osłabienie struktury materiału, mimo zachowania pozornej integralności zewnętrznej powierzchni.
Podstawowe mechanizmy powstawania
Mechanizm korozji wżerowej opiera się na lokalnych różnicach potencjału elektrochemicznego między powierzchnią metalu a mikroobszarami, w których dochodzi do uszkodzenia warstwy pasywnej lub ochronnej. Proces ten obejmuje:
- Uszkodzenie warstwy pasywnej – Warstwa pasywna (np. tlenek chromu w stalach nierdzewnych) może ulec naruszeniu w wyniku działania jonów chlorkowych (Cl⁻) lub innych agresywnych czynników chemicznych.
- Powstanie mikroogniwa korozyjnego – W obszarze defektu tworzy się anodowy mikroobszar, gdzie zachodzi utlenianie metalu. Pozostała część powierzchni staje się katodą, co sprzyja przepływowi prądu korozyjnego.
- Akumulacja produktów korozji – Wżer działa jak pułapka dla produktów reakcji korozyjnej, takich jak jony metalu i jony wodoru, które zwiększają lokalną kwasowość (spadek pH).
- Samonapędzający się proces – Wysoka koncentracja chlorków oraz niskie pH w obrębie wżeru prowadzą do dalszego niszczenia metalu, przyspieszając proces korozji.
Rola defektów powierzchniowych i niejednorodności materiału
Defekty powierzchniowe i niejednorodności mikrostrukturalne odgrywają kluczową rolę w inicjacji korozji wżerowej. Mogą to być:
- Wtrącenia niemetaliczne – obecność siarczków, tlenków lub węglików.
- Mikropęknięcia i rysy – które ułatwiają penetrację agresywnych jonów.
- Zanieczyszczenia powierzchni – np. pozostałości po obróbce mechanicznej lub chemicznej.
- Nierównomierny skład chemiczny stopu – np. obszary o niższej zawartości chromu w stalach nierdzewnych.
Defekty te mogą przyczyniać się do lokalnych zaburzeń potencjału elektrochemicznego, co sprzyja inicjacji korozji wżerowej, szczególnie w środowiskach o podwyższonym stężeniu chlorków, jak wody morskie lub środowiska chemiczne.
Przyczyny i czynniki sprzyjające korozji wżerowej
Skład chemiczny materiału
Skład chemiczny stopu ma kluczowy wpływ na podatność materiału na korozję wżerową. Główne czynniki to:
- Zawartość chromu (Cr) – Chrom jest podstawowym składnikiem odpowiedzialnym za tworzenie warstwy pasywnej w stalach nierdzewnych. Zbyt niska jego zawartość (poniżej 10,5%) zwiększa podatność na korozję wżerową.
- Zawartość molibdenu (Mo) – Molibden poprawia odporność na korozję wżerową, szczególnie w środowiskach zawierających chlorki (np. stale AISI 316 z dodatkiem Mo).
- Niska zawartość węgla (C) – Obecność węgla powyżej normy (np. w stali nierdzewnej AISI 304) może prowadzić do tworzenia węglików chromu na granicach ziaren, co osłabia warstwę pasywną.
- Zanieczyszczenia metalurgiczne – Wtrącenia siarczków, tlenków lub innych niemetalicznych wtrąceń mogą stać się miejscem inicjacji korozji wżerowej.
Środowisko korozyjne (pH, obecność chlorków, zasolenie)
Warunki środowiskowe odgrywają istotną rolę w inicjacji i rozwoju korozji wżerowej:
- Jony chlorkowe (Cl⁻) – Najczęstszy czynnik inicjujący korozję wżerową. Chlorki przenikają przez warstwę pasywną i powodują lokalne uszkodzenia.
- Zasolenie – Środowiska o wysokim zasoleniu, takie jak wody morskie, są szczególnie agresywne dla stali nierdzewnych i aluminium.
- Odczyn pH – Kwaśne środowisko (pH < 7) przyspiesza proces korozji, natomiast środowiska o bardzo wysokim pH również mogą być agresywne w obecności chlorków.
- Substancje chemiczne – Obecność kwasów, zasad, a także rozpuszczonych soli może sprzyjać powstawaniu korozji wżerowej.
Mikrostruktura stopów metali
Struktura wewnętrzna metalu ma istotny wpływ na podatność na korozję:
- Niejednorodności mikrostrukturalne – Obszary o różnym składzie chemicznym (np. wydzielenia węglików chromu) mogą prowadzić do lokalnych różnic potencjału elektrochemicznego.
- Granice ziaren – Wydzielenia chromu na granicach ziaren w stalach nierdzewnych (np. przy nieodpowiedniej obróbce cieplnej) prowadzą do lokalnej utraty odporności korozyjnej.
- Drobnoziarnista struktura – Może zwiększać odporność na korozję wżerową, podczas gdy gruboziarnista struktura sprzyja korozji.
Temperatura i wilgotność
Warunki atmosferyczne również wpływają na tempo korozji wżerowej:
- Temperatura – Wzrost temperatury zwykle zwiększa aktywność jonów chlorkowych, co intensyfikuje proces korozji wżerowej. Przykładem są wysokotemperaturowe środowiska przemysłowe.
- Wilgotność – Podwyższona wilgotność, zwłaszcza w połączeniu z chlorkami, sprzyja korozji wżerowej, szczególnie w klimatach nadmorskich.
- Kondensacja pary wodnej – Może prowadzić do powstawania mikroskopijnych kropli z koncentracją chlorków, inicjując korozję.
Materiały odporne na korozję wżerową
Stale austenityczne
- AISI 316L (1.4404, X2CrNiMo17-12-2) – zawartość molibdenu 2-2,5%, powszechnie stosowana w przemyśle chemicznym, spożywczym i morskim.
- AISI 317L (1.4438, X2CrNiMo18-14-3) – zwiększona zawartość molibdenu (3-4%) w porównaniu do 316L, do środowisk o wysokiej zawartości chlorków.
- AISI 904L (1.4539, X1NiCrMoCu25-20-5) – stal wysokostopowa z dodatkiem 4,5% molibdenu i miedzi, doskonała odporność w środowiskach kwaśnych (np. kwas siarkowy).
- AISI 254SMO (1.4547, UNS S31254) – wysokostopowa stal austenityczna o bardzo wysokiej odporności na wżery, zawartość molibdenu 6% i azotu, przeznaczona do pracy w wodach morskich i agresywnych środowiskach chemicznych.
Stale ferrytyczne
- AISI 444 (1.4521, X2CrMoTi18-2) – ferrytyczna stal nierdzewna z dodatkiem 2% molibdenu, stosowana w instalacjach wodnych i ciepłowniczych.
- AISI 430 (1.4016, X6Cr17) – stal ferrytyczna bez molibdenu, odporna na korozję atmosferyczną, ale mniej odporna w środowiskach chlorkowych.
Stale duplex (dwufazowe)
- 1.4362 (UNS S32304, X2CrNiN23-4) – stal duplex o obniżonej zawartości molibdenu, stosowana w środowiskach mniej agresywnych chemicznie.
- 1.4462 (UNS S31803, X2CrNiMoN22-5-3) – klasyczny duplex o podwyższonej zawartości molibdenu (3%) i azotu, często stosowany w instalacjach morskich.
- 1.4410 (UNS S32750, X2CrNiMoN25-7-4) – super duplex z 4% molibdenu, przeznaczony do środowisk o wysokim zasoleniu, np. w przemyśle naftowym i morskim.
- 1.4501 (UNS S32760, X2CrNiMoCuWN25-7-4) – super duplex z dodatkiem miedzi, wolframu i 4% molibdenu, wyjątkowo odporny na wżery i korozję szczelinową.
Stale martenzytyczne
- AISI 410 (1.4006, X12Cr13) – stal martenzytyczna z niską odpornością na korozję wżerową, używana głównie w narzędziach tnących.
- AISI 431 (1.4057, X17CrNi16-2, 1.4104) – stal martenzytyczna o podwyższonej odporności na korozję wżerową, stosowana w przemyśle morskim.
Stale wysokostopowe i specjalistyczne
- Hastelloy C-22 (2.4602) – stal niklowo-molibdenowa, ekstremalnie odporna na korozję wżerową w agresywnych środowiskach chemicznych.
- Incoloy 825 (2.4858) – stal niklowo-żelazowa z molibdenem, przeznaczona do pracy w środowiskach kwasowych i silnie chlorkowych.
Aluminium i jego stopy
Czyste aluminium i niektóre stopy wykazują dobrą odporność na korozję wżerową, szczególnie w środowiskach neutralnych lub zasadowych. Stopy o podwyższonej odporności to:
- EN AW-5083 (AlMg4,5Mn) – stop aluminium z magnezem, używany w konstrukcjach morskich ze względu na dobrą odporność na wżery.
- EN AW-5754 (AlMg3) – stop o podobnych właściwościach jak 5083, ale o nieco mniejszej zawartości magnezu.
- EN AW-6061 (AlMg1SiCu) – stop o dobrej odporności na korozję, stosowany w lotnictwie i przemyśle transportowym.
- EN AW-7075 (AlZn5,5MgCu) – stop wysokowytrzymały, odporny na korozję w suchych warunkach, ale podatny w środowisku chlorkowym.
Miedź i stopy miedzi
Miedź i jej stopy, ze względu na naturalną pasywację powierzchniową, często wykazują dobrą odporność na wżery, zwłaszcza w środowiskach wodnych. Przykłady:
- Miedź elektrolityczna (Cu-ETP, C11000) – czysta miedź o dobrej odporności na korozję w środowiskach o niskiej agresywności chemicznej.
- Stop CuNi10Fe1Mn (2.0872) – stop miedzi z niklem i żelazem, stosowany w instalacjach wodnych i morskich.
- Stop CuNi30Mn1Fe (2.0882) – stop o zwiększonej odporności na korozję w środowiskach silnie zasolonych.
- Mosiądze (np. CuZn20) – odporne w środowiskach neutralnych, ale mniej w agresywnych chlorkach.
- Brązy fosforowe (CuSn8) – wysoka odporność na korozję wżerową, szczególnie w środowiskach morskich.
Inne metale i stopy
Niektóre metale i stopy specjalistyczne cechują się wyjątkową odpornością na korozję wżerową, nawet w ekstremalnych środowiskach:
- Tytan:
- Grade 2 (ASTM B265) – czysty tytan o doskonałej odporności w środowiskach silnie korozyjnych.
- Grade 5 (Ti6Al4V) – stop tytanu z aluminium i wanadem, wykorzystywany w przemyśle chemicznym i lotniczym.
- Nikiel i stopy niklu:
- Inconel 625 (2.4856) – stop niklu z molibdenem i chromem, wyjątkowo odporny na wżery w środowiskach kwasowych.
- Hastelloy C-276 (2.4819) – stop niklu z molibdenem i wolframem, stosowany w przemyśle chemicznym przy ekstremalnych warunkach korozyjnych.
- Monel 400 (2.4360) – stop niklu z miedzią, odporny na korozję w środowiskach morskich i chemicznych.
