Erosion och korrosion i maskinteknik

Korrosion och erosion påverkar komponenternas livslängd och prestanda. Men vad är egentligen skillnaden mellan erosion och korrosion? Vilka typer finns det? Hur kan dessa krafter motverkas? Följande artikel undersöker detta mer i detalj.

Vad är skillnaden mellan erosion och korrosion?

Till vardags är de två termerna erosion och korrosion ofta förväxlade, men båda står för två helt olika begrepp: erosion hänvisar till materialborttagning och därmed till en fysisk förändring, medan korrosion främst är en förändring orsakad av en kemisk reaktion. I samband med maskinteknik innebär erosion att till exempel den mekaniska effekten av erosiva partiklar på ytan av en komponent leder till skador eller nötning av ytmaterial. Den resulterande skadan kan vara mikroskopiskt liten men även makroskopisk till sin natur, dvs synlig för blotta ögat. Abrasion är en form av erosion och betecknar processen att avlägsna material från en fast yta genom friktion med en annan friktionspartner. Friktionspartners kan vara små partiklar i en flytande gas men också flytande vätskor eller gnidande fasta ämnen. Det borttagna materialet kallas nötning.

Korrosion, å andra sidan, beskriver en kemisk eller elektrokemisk reaktion av materialet baserat på en interaktion med miljön, vilket leder till en förändring i materialet fram till dess förstörelse. Erosion kan vara en förutsättning för korrosion, såsom erosiv korrosion. I detta speciella fall orsakar avlägsnande (erosion) av den skyddande oxidfilmen på metallens yta en frätande attack på den nu exponerade ytan av de drabbade områdena.

Vissa metaller och metalllegeringar, såsom järn eller stål, är känsliga för korrosion, vilket kan leda till fullständig förstörelse. Andra frätande metalllegeringar korroderar på ytan och bildar en syretät oxidfilm, vilket förhindrar djupare korrosion. Till exempel är obehandlat aluminium eller koppar mottagliga för korrosion från fukt och salter. De reagerar med fukt och syre i miljön och bildar en skyddande oxidfilm på materialytan, som sedan skyddar mot ytterligare korrosion.

Både korrosion och erosion är ett stort problem i många branscher och leder till materialslitage och höga underhållskostnader.

Korrosion i detalj

DIN EN ISO 8044 definierar korrosion som reaktionen av ett material med sin miljö. Denna reaktion orsakar en mätbar förändring i materialet och kan leda till funktionsnedsättning. Denna reaktion är vanligtvis av elektrokemisk natur, men kan också ha kemiska eller metallfysiska orsaker. Standarden skiljer ytterligare mellan korrosionsskador och korrosionsspänning:

• Korrosionsskada: materialskada på grund av kemiska eller elektrokemiska reaktioner med miljön. Korrosionsprodukter bildas som försvagar materialet, t.ex. ytkorrosion eller gapkorrosion.
• Korrosionsstress: Materialkontaminering på grund av korrosiva miljöförhållanden. Denna stress kan ökas av faktorer som fuktighet, salthalt, temperatur och kemiska influenser. Korrosionsspänning gör materialen mer mottagliga för korrosionsskador, särskilt med ytterligare mekaniska påfrestningar.

Symtom på korrosion

Det finns olika stadier eller utseende av korrosion:

• Inga förändringar kan ses på ytan: inga korrosionsbiprodukter har bildats eller de infallande ytavlagringarna ligger inom nanometerområdet; ytterligare nedbrytning är därför osannolik.
• Ytan är missfärgad, annars inga förändringar: korrosionsbiprodukter kan ses på ytan, men korrosionen fortskrider inte längre annars. Missfärgningen har en tjocklek på flera 10 nm av rostbildning.
• Fortskridande korrosion: korrosionsbiprodukter fäster inte ordentligt på ytan, vilket kontinuerligt exponerar ytan för den korrosionsinducerande miljön. Detta märks genom att rost flagnar, t.ex. i olegerat stål som utsätts för regn eller vind.
• Ingen rostbildning, fortskridande korrosion: Korrosionsbiprodukterna har lösts upp i miljön, men korrosionen fortsätter att utvecklas, t.ex. när metallen kommer i kontakt med syra.

Typer av korrosion

Korrosion kan klassificeras enligt typen av reaktionsmekanismer: Kemisk korrosion, elektrokemisk korrosion och metallfysisk korrosion.

• Kemisk korrosion: Kemisk korrosion uppstår när metaller och andra material reagerar med sin miljö, särskilt med syre, vatten eller aggressiva kemikalier, och bryts sedan ner och förstörs.
• Elektrokemisk korrosion: Elektrokemisk korrosion utlöses av närvaro av en elektrolyt, t.ex. interkristallin korrosion.
• Metallfysisk korrosion: Metallfysisk korrosion uppstår när fysiska fenomen leder till korrosion.

Korrosionsbeständighet och korrosionsskydd

Korrosionsbeständighet är en materiell egenskap som beror på följande faktorer, till exempel:

• Materialsammansättning
• Ytbehandling
• Legeringselement

Helst har de relevanta komponenterna hög korrosionsbeständighet. Men det finns också andra alternativ för korrosionsskydd.

Följande tabell visar effekterna av saltvattenspraytestets i enlighet med JIS H8502 på ett enkelt linjärt kullager med fläns:

Erosion i detalj

Erosion är särskilt viktigt när maskiner och komponenter utsätts för extrema belastningar. Formen och attackvinkeln för de infallande partiklarna påverkar också slitageeffekten. Materialets egendom spelar också en roll. Sköra material beter sig annorlunda än duktila. För glas som ett sprött material ökar till exempel slitagekänsligheten med attackvinkeln, det splittras bokstavligen. För seg material ökar slitaget vid en attackvinkel på upp till 25°, men sjunker sedan snabbt igen.

Här är några exempel på möjliga fellägen av olika material:

• 1 - Seg, mjuk
• 2 - Seg, mjuk, belagd
• 3 - Broschyr

På spröda material kan olika frakturlägen uppstå beroende på materialstrukturen, formen och slagenergin hos den stötande partikeln och olika slagvinklar:

• 1 - Konisk ruptur
• 2 - Radial ruptur
• 3 - Lateral ruptur

Erosion som materialavlägsnande tillverkningsprocess

Erosion kan också användas till positiv effekt, t.ex. genom gnisterosion. Gnisterosion är en avlägsnande, termisk tillverkningsprocess. Den är baserad på elektriska urladdningsprocesser och är därför endast lämpad för ledande material. Ett elektrodverktyg nedsänkt i ett dielektriskt levereras med likspänning och styrs sedan mot ett ledande material. Detta resulterar i urladdningar i form av gnistor, vilket resulterar i höga temperaturer på upp till 1 200 °C. Arbetsstyckets material smälts och de borttagna materialpartiklarna spolas bort i vätskan. Komplexa geometriska former med hög ytkvalitet kan produceras genom gnisterosion. Dykning, som en undertyp av gnisterosion, använder ett verktyg som representerar ett negativt av strukturen som ska produceras. Denna metod används främst för olika gjutna delar.

Partikelerosion är ännu ett sätt att använda erosion i maskinteknik. Partikelerosion uppstår när små fasta partiklar (t.ex. sand) drivs mot ytan på en komponent. Detta resulterar i nötning och materialförlust.

Korrosions- och erosionsskydd

Det finns olika typer av korrosions- och erosionsskydd. Grundprincipen är att egenskaper läggs till det material som ska skyddas för att göra det mer motståndskraftigt mot erosion och/eller korrosion. Detta förlänger också livslängden. Ytterligare erosionsskydd är dock ofta dyrare än att bara byta ut komponenten och måste därför övervägas noggrant. Erosionsskydd och korrosionsskydd kan båda kategoriseras i passivt och aktivt erosions- eller korrosionsskydd.

Passivt korrosionsskydd åstadkoms exempelvis genom korrosionsskyddsmedel som skyddar metallytorna som beläggning. En skyddande beläggning appliceras ofta som en slutlig operation. Vanliga metoder inkluderar termisk sprutning och polymerbeläggning:

• Termisk sprutning: Termisk sprutning innebär att man sprutar additiva material på ytan som sprutpartiklar, som sedan deponeras på ytan i lager för att bilda sprutskiktet. Huvudapplikationen för termisk sprutning är korrosion och slitageskydd. Den termiska belastningen för denna metod är mycket låg. Bågsprutning, plasmasprutning och flamsprutning är undertyper.
• Polymerbeläggning: Polymerbeläggning innebär att belägga verktyget med ett lager av polymermaterial. Tribologiska polymerbeläggningar är särskilt anpassningsbara. De minskar nötning och används även som skydd mot korrosion och slitage. Följande alternativ är tillgängliga: Pulverbeläggning, plasmabeläggning för mycket tunna beläggningar, våt beläggning, vakuumbeläggning.

Aktivt korrosionsskydd används främst på otillgängliga arbetsstycken, t.ex. nedsänkta eller underjordiska kablar eller rör. Aktivt korrosionsskydd kan uppnås genom att tillsätta en korrosionshämmare eller genom elektrokemisk polarisering. En åtskillnad görs mellan anodiskt och katodiskt skydd:

• Katod: metallen som ska skyddas är ansluten som en katod med en positivt laddad anod (t.ex. en icke-kronmetall, såsom zink) med hjälp av extern ström. Externa strömkällor kan till och med utelämnas när magnesium används som anod. Elektroderna riktas mot det material som ska skyddas och absorberas av det senare. En skyddande ström skapas som förhindrar rost.
• Anodisk: på metaller som genererar korrosion eller oxidationsprodukter används dessa produkter som ett skyddande lager för att förhindra ytterligare angrepp.