Metal Yüzeylerin Korozyondan Korunması

Temmuz 02, 2018, 11:43 am
13 dakika

 

 

Metal

 

Ömer Edip Kuzugüdenli
Kimya Anabilim Dalı Başkanı
Fen Fakültesi
Erciyes Üniversitesi

 

 

Giriş
Altın ve platin gibi soy metallerin genel ortam koşullarına dayanıklılıkları yüksektir. Korozyon su ve oksijen etkisiyle çoğu metalin
yüzeyini oksitlerine veya hidroksitlerine dönüştüren bir kimyasal tepkime türüdür. Bu yeni oluşum saf veya alaşım haldeki
metallerin dayanıklılık, iletkenlik ve kullanım ömrü gibi birçok özelliklerini olumsuz yönde değiştirir [1-6]. Korozyona uğramış
metaller daha kırılgan ve yüksek çözünürlüklü olmaları nedeniyle metal miktarında azalma ve çevre kirliliği gibi istenmeyen
sonuçlar da doğururlar (Şekil 1). Bu olumsuzluklar birbirine eklendiğinde çalışmaların aksaması yanında milyarlarca liralık zaralar
ve can kayıplarına da neden olacaklardır.

Metal

Şekil 1. Korozyon nedeniyle metal ürünlerin görüntüsü kötüleşmekle
kalmaz, onların dayanıklılık, iletkenlik ve kullanım ömrü azalır,
çevre kirliliğine neden olurlar.

 

Korozyon
Yüzey, birbirine karışmayan veya sınırlı karışan iki faz arasındaki sınır olarak tanımlanabilir (Şekil 2). Bu fazların katı, sıvı, gaz veya
vakum olmasına göre oluşan da katı-gaz, katı-sıvı, katı-katı, sıvı sıvı, sıvı-gaz veya katı-vakum yüzeyi olacaktır.

Metal""

Şekil 2. Korozyon, metal yüzeyinin (faz 2) oksijen (hava) ve su içeren
ikinci bir fazla (nemli hava veya su) gerçekleştirdiği istenmeyen
bir reaksiyondur.

 

Katı metal üzerinde korozyon ise katı-gaz veya katı- sıvı yüzeyinde gerçekleşecektir. Korozyon önleme amacıyla uygulanan üç
temel yöntem alaşım oluşturma, katodik koruma ve yüzeye koruyucu kaplamadır. Metallerin türü ve onların kullanım alanlarına
göre bunlar arasında seçme yapılır. Alaşım ürüne koruyucu kaplama yapılması gibi birden fazla prensipten de yararlanılabilir.

Örneğin, bir demir parçası suya daldırılırsa veya nemli havada bekletilirse, suyla hava hidroksit iyonu oluşturmak için demirden
elektron almak isteyecektir.

 

Metal

Ayni ortamda demirin yükseltgenmesi ve oksijenin indirgenmesini gösteren bu iki reaksiyon birleştirirse
Fe + H2O + ½ O2 → Fe(OH)2

bir kademe daha yükseltgenme ile Fe(OH)3 oluşur. Bunların su kaybetmiş halleri ise sırasıyla FeO ve Fe2O3 olacaktır.

Alaşımlar, belirli metal karışımlarının birlikte eritilmesiyle oluşturdukları homojen yapıda yeni ürünlerdir. Metallerin sertlik, esneklik,
aşınmaya direnç gibi birçok özelliklerini iyileştirme amaçlı uygulamalarının yanında onların korozyona dirençlerini artırmak için de
kullanılan yaygın bir yöntemdir. Örneğin %18 krom, %8 nikel içeren demirle oluşturulan krom-nikel paslanmaz çeliği gibi.

Katodik koruma, korozyonu engellenmek istenen metale kimyasal açıdan ondan daha aktif bir metalin bir iletkenle bağlanmasıyla
sağlanır. Aktif olan metal daha önce korozyona uğrayacağından ona bağlı korunmak istenen metal korozyondan etkilenmeyecektir.
Yeraltındaki çelik su veya akaryakıt tanklarının, doğalgaz veya petrol boru hatlarının bunlara telle bağlanan demirden çok daha
aktif olan magnezyum çubuklarıyla korunması bu yönteme örnek verilebilir. Koruyucu kaplama metal ürün yapımının bitirme
safhasında veya var olan metal ürünün korozyonunu önleme amacıyla uygulanır. Burada metal yüzeyinde boyama, emayeleme,
yağlama veya galvanizason türü işlemlerle koruyucu bir kaplama yapılır ve metal yüzeyinin su ve havayla temasının kesilmesi istenir
(Şekil 3). Koruyucu kaplama boya örneğinde olduğu gibi renklendirme, desen, güzelleştirme, ışık etkisini azaltma veya uyarı gibi
birçok amaca da hizmet edebilir.

 

Metal

Şekil 3. Koruyucu kaplama, metalin hava ve suyla temasını keserek
korozyonunu önleyecektir.

 

Metal-Su Sistemleri Çalışması
Bir metal suyla temas ettiğinde yüzeyinde birçok değişiklikler oluşurken, suya da birçok türler salınır. Bütün bunlar suyun pH
değeri, sıcaklık, ortamdaki diğer iyonların tür ve derişimleri gibi birçok faktörden etkilenir [7-13]. Bu nedenle metallerin sulu
ortamda dengelerini bilmek korozyon çalışmaları için önemli olacaktır. Metal yüzeyinde pasifliği sağlayacak şartları belirleme,
korozyonu önlemenin bir başka yaklaşımı olacaktır.

 

Bazı bilgiler deneysel olarak elde edilebilirken literatür bilgisine dayanarak ulaşılan teorik bulgular da çok yararlı olacaktır. Bir
metalin sulu ortamda kararlılık bölgeleri termodinamik veriler kullanılarak potansiyel-pH diyagramlarıyla çalışılabilir.

Örneğin, ilgili genel bir reaksiyon aşağıdaki gibi olsun:

aA + bB + ne- = cC + dD

(yükseltgenmiş hal) + ne- = (indirgenmiş hal)

Bunun için Nernst eşitliği yazılabilir.

Metal

 

Erciyes Üniversitesi Endüstriyel Kimya Bölümünde maddelerin yüzey özellikleri üzerinde yürütülmekte olan çalışmaların bir parçası
olan demirin sulu ortamdaki dengelerine termodinamik veriler ve muhtemel reaksiyonlar kullanılarak ulaşmaktır. İki aktivite değeri
için yapılan hesaplamalarla ilgili pH-potansiyel grafiği konuya örnek verilebilir. (Şekil 4). İyonik türlerle ilgili diğer aktivite değerlerine
verilen değerler kullanılarak yaklaşımda bulunulabilir. Katı türlerin baskın, yani iyonik türlerin düşük derişimde, bulunduğu alanlar
korozyon için pasif alanlardır. Basitleştirilmiş bu grafik tek metal-su sistemini temsil eder. Gerçek uygulamaların çoğunda ortamda
başka türler de bulunması sistemleri çok daha geniş kapsamlı kılacaktır.

 

Metal

Şekil 4. Demirin sulu ortamda iyonik türlerinin iki aktivite değeri esas alınan çalışmada elde
edilen potansiyel-pH diyagramı. (T= 25oC)

Yukarıda sözü edilen araştırma biriminde metal korozyonunu ilgilendiren başka çalışmalar da yürütülmektedir. Korozyonun
aşamalarının spektroskopik yöntemlerle hızlı tayini; yüzey pürüzlülüğünün korozyon hızına etkisi; koruyucu kaplama yöntemlerinin
karşılaştırılması ve bor bileşikleriyle emaye kaplamanın daha etkin kılınması bu çalışmalara birkaç örnek olarak verilebilir [1-4].
Işığın yüzeyden yansıması incelenerek korozyon aşamaları karşılaştırmalı olarak dakikalar içinde ölçülebilmektedir. Düz yüzeyde
korozyon pürüzlü yüzeydekine nazaran daha yavaş ilerlediği gözlemlenmiştir Emaye hammaddelerine bor bileşenleri katılması
seramik oluşumu için gerekli sıcaklığı birkaç yüz derece düşürerek enerji tasarrufu ve işlemede pratiklik sağlamaktadır.

 

Metal korozyonunu önleneme veya geciktirmenin çok sayıda kaza, yaralanma ve can kayıplarını azaltmada önemli katkıları olacaktır.
Korozyonu tamamen önlemek mümkün olmasa da onu kontrolle çok büyük ekonomik kazançlar da sağlayacaktır. Korozyonun bir
metale verdiği zarar doğrudan maliyet olarak tanımlanabilir. Dolaylı maliyeti ise, bir metal ürünün korozyona uğramasının fark
edilmemesi veya ihmal edilmesinin doğuracağı zarar olarak tanımlanır ve doğrudan maliyetten yüzlerce, hatta binlerce kat daha
fazla olabilir. Bir otomobilin korozyona uğramış birkaç liralık küçük bir parçası nedeniyle kontrolden çıkarak kaza yapması ya da
enerji üretim veya iletimimde oluşacak aksaklıktan ulaşımın, çok sayıda yerleşim biriminin ve fabrikanın etkilenmesi gibi.

Sonuç
Çoğu metal su ve havayla muhatap olduğunda korozyon denen bir değişime uğrar. Havadaki nem ve oksijen veya yeterince
oksijen içeren su bir metalle temas ettiğinde aralarında gerçekleşen reaksiyonlar sonucu yüzeyde metal oksit veya hidroksit oluşur.
Bu ürün orijinal metalin sağlamlık, iletkenlik ve kullanım ömrü gibi özelliklerini büyük ölçüde yitirmiştir. Kırılgan yapısı ve genellikle
yüksek  çözünürlüğü nedeniyle de çevreye kirliliği oluşturma potansiyeli vardır. Metallerin korozyona direnci koruyucu kaplama,
katodik  koruma ve alaşım oluşturma gibi yöntemlerle artırılabilir. Kullanılacak metallerin korozyona direnç özelliklerinin ayrıntılı
olarak  deneysel ve teorik çalışılması da korozyon nedeniyle gelecek zararları azaltmada etkili olacaktır.

 

Kaynaklar
1. Kuzugüdenli, Ö.E., Role of Protective Surface Covering against Metal Corrosion, IX th International Chemical Physics Congress,
14-16 Oct. 2010, İzmir.
2. Kuzugüdenli, Ö.E., Effect of Boron Compounds on Enamel Coating of Metals,” 12th International Corrosion Symposium, 06-09
Oct. 2010, Eskişehir.
3. Kuzugüdenli, O. E. and Ulgen, A., Use of Spectrometric Techniques to Measure Progress of Metal Corrosion, 8th International
Electrochemistry Meeting, Antalya, Turkey, 8-11 October, 2009.
4. Kuzugüdenli, Ö. E. and Ülgen, A., Effect of Surface Smoothness on Corrosion Resistance of Metals, 11th International Corrosion
Symposium, 22-25 Oct. 2008, İzmir.
5. Jones, D.A., Principles and Prevention of Corrosion, 2nd ed., Prentice-Hall, Inc, Upper Saddle River , New Jersey, 1996.
6. Shreve, R. N. and Brink, J. A., Chemical Process Industries, McGraw-Hill Book Co., New York, 1986.
7. Jones, M. M., Netterville, J. T., Johnston, D. O. And Wood, J. L., Chemistry, Man and Society, 2nd ed. W.B. Saunders Co.,
Philadelphia, USA, 1976.
8. Bockris, J. O. M. and Reddy, A. K. N., Modern Electrochemistry, Plenum Press, New York, 1970.
9. Pourbaix, M., Atlas of Electrochemical Equilibria in Aqueous Systems, Pergamon Press, London, 1966.
10. Garrels, R. M. and Christ, C. L., Solutions, Minerals and Equilibria, Freeman, Cooper & Company, San Francisco, 1965.
11. Latimer, W. M., The Oxidation States of Elements and Their Properties in Aqueous Solutions, 2nd ed. Prentice-Hall,
Englewood Cliffs, NJ, 1956.
12. Stumm, W. and Morgan., J. J., Aquatic Chemistry – An introduction Emphasizing Chemical Equilibria in Natural Waters, 2nd
ed., John Willey & Sons, New York, 1981.
13. Adamson, A.W., Gast, A.P., Physical Chemistry of Surfaces, John Wiley and Sons, Toronto, 1977.

  • (gizli tutulacaktır)