Paslanma, Korozyon ve Koruma Yöntemleri

Konu Anlatımı

Paslanma, Korozyon ve Koruma Yöntemleri

Çelik, yüksek mukavemeti sayesinde atölyelerde en çok kullanılan metaldir; ancak demir esaslı olduğu için nemli ortamda kendiliğinden çöker. Bu çökme koroz (korozyon) olarak adlandırılır ve metalin yılda yüzde kaç kalınlık kaybettiğini bilmek, hem maliyet hem güvenlik hem de yaşam süresi açısından zorunludur. Bu derste paslanmanın kimyasını, korozyon hızının nasıl hesaplandığını ve başlıca koruma yöntemlerinin nasıl çalıştığını öğreneceğiz.

Bu derste ne öğreneceğiz?

Bu derste paslanmanın hangi koşullarda hızlandığını, bir metal numunenin korozyon hızını kütle kaybından nasıl bulacağımızı ve bu değerin yıllık kalınlık kaybına nasıl çevrileceğini öğreneceğiz. Galvanizasyonun neden bariyer değil katotik koruma sağladığını, boyanın neden yalnızca bariyer koruma verdiğini karşılaştıracağız. Ayrıca bir borunun duvar kalınlığından kaç yıl dayanabileceğini hesaplayacağız.

Ön bilgi

Ön bilgi olarak korozyonun üç koşulu vardır: metal yüzeyi, nem ve oksijen. Üçü bir araya gelmezse korozyon durur. Bu yüzden kurutma, sızdırmazlık ve kaplama yöntemleri çalışır. Ayrıca tuz korozyonu hızlandıran bir ivmedir: deniz kenarı ve köprülerde olduğu gibi klorür iyonları pas oluşumunu hızlandırır.

İkinci ön bilgi pasın yapısıdır. Oluşan tabaka hidratlı demir oksittir ve gözeneklidir. Bu gözenekler su ve oksijeni içeri taşıdığı için pas, kendi kendini besleyen bir süreçtir: yüzeydeki pas kalınlaştıkça altındaki çelik daha da hızla paslar. Bu yüzden yüzeydeki küçük bir pas lekesi, altındaki malzemenin tamamını tehlikeye atabilir.

Paslanmanın Kimyası

Paslanma oksidasyon–indirgenme sürecidir. Çelikteki demir oksijenle tepkime girerek demir oksitleri oluşturur; su bu sürece katılarak hidratlı demir oksit tabakası meydana getirir. Kimyasal olarak kabaca üç aşama vardır: demir yüzeyinde oksit çekirdeği oluşumu, suyun katılmasıyla hidratlı tabakanın genişlemesi ve tabakanın gevrekleşip dökülmesi.

Korozyon hızını etkileyen etmenler şunlardır: çevre nemi, sıcaklık, klorür ve sülfat derişimi, malzeme cinsi, yüzey pürüzlülüğü ve stres durumu. Yüzey pürüzlülüğünün artması, çukur tabanlarında nem tutulması nedeniyle korozyonu belirgin biçimde hızlandırır; bu yüzden koruma öncesi yüzey düzeltilir.

Korozyon Hızının Hesaplanması

Korozyon hızı kütle kaybından ölçülür. Numune tartılır, belirli bir süre korozyona bırakılır ve sonra yeniden tartılır. Korozyon hızı bağıntısı şöyledir: r = Δm ÷ (A × t). Burada Δm kütle kaybı, A numunenin koruma altındaki yüzey alanı, t ise geçen süredir. Sonuç g/cm²/gün cinsinden elde edilir.

Endüstride daha çok yıllık ortalama kalınlık kaybı kullanılır. Bunun için korozyon hızı metalin yoğunluğuna bölünür: d = r ÷ ρ. Çelik için yoğunluk 7,85 g/cm³ alınır ve d cm/gün cinsinden olur. Günlük değer 365 ile çarpılarak yıllık kalınlık kaybına çevrilir.

Bu hesap, bir parçanın ömrünü belirlemede doğrudan kullanılır. Bir borunun duvar kalınlığı bilinir ve yıllık kayıp hesaplanırsa, kaç yıl sonra duvarın tamamen aşınacağı bulunur. Bu değer genellikle güvenlik katsayısı ile çarpılarak kullanılır; hiçbir borunun hesaplanan ömrüne kadar çalıştırıldığı kabul edilmez.

Galvanizasyon

Galvanizasyon, çelik yüzeye çinko katmanı kaplanmasıdır. İki yöntem kullanılır: sıcak daldırma galvanizasyon ve elektro galvanizasyon. Sıcak daldırmada parça 450 °C civarında erimiş çinkoya batırılır; kalınlık genellikle 45 – 85 mikron arasındadır. Elektro galvanizasyonda ise parça elektrolit içinde katot olarak çalışır ve 5 – 25 mikron kalınlıkta ince bir çinko tabakası oluşur.

Galvanizasyonun asıl gücü katotik korumadır. Çinko, demirden daha aktif bir metaldir; çelik yüzeyinde bir çizik oluşsa bile çince örtülen bölge anot, çelik ise katot olur. Çinko önce korozyona uğrar ve korozyon ürünü yarı iletken bir tabaka oluşturarak çeliği korur. Bu nedenle galvanizasyon, küçük yüzey hasarlarında bile koruma sağlar; buna katotik koruma ilkesi denir.

Boya ve Örtücü Koruma Yöntemleri

Boya, bariyer koruma sağlar: oksijen ve su yüzeye ulaşamaz. Bu nedenle boyanın koruması tamamen kaplama bütünlüğüne bağlıdır; bir çizik, çıplak çeliği açıkta bırakır ve çevresinde hızlı korozyon başlar. Endüstriyel uygulamada iki katlı boya ile elde edilen kuru film kalınlığı atmosfer koşullarında genellikle 60 – 80 mikron olmalıdır.

Fosfatlama, çelik yüzeye ince bir demir fosfat tabakası oluşturarak hem bariyer hem yapıştırıcı özellik sağlar. Fosfatlama tek başına uzun süreli koruma vermez; ancak boyanın yapışmasını sağlayarak boya ömrünü uzatır. Kromatlama ve kromat dışı ön işlemler benzer amaçla kullanılır.

Paslanmaz çelik yöntemi ise malzeme değişikliğidir: krom ve nikel içeren alaşım, yüzeyde ince ve kendini onaran bir oksit filmi oluşturur. Bu film korozyonun ilerlemesini yavaşlatır. Ancak klorür bakırından zengin ortamlarda çukur aşınması denen bir korozyon türü başlayabilir ve malzeme delinebilir.

Korozyon Bütçesi

Korozyon bütçesi, yeni bir tasarımda kabul edilebilir en yüksek korozyon miktarıdır ve genellikle yıllık 0,1 mm olarak belirlenir. Tasarımda bu değerden daha yüksek bir korozyon hızı öngörülüyorsa koruma yöntemi değiştirilmelidir. Bu yaklaşım, «parça kaç yıl dayanır» sorusunun tek bir süre yerine bir izin verilen sınır ile yanıtlanmasını sağlar.

Basit örnek

Örnek: Çelik bir numune koruma altında 40 santimetrekarelik alanla 30 gün boyunca bırakılmış ve bu sürede 0,008 gram kütle kaybı olmuştur. Korozyon hızı g/cm²/gün cinsinden kaçtır?

İleri örnek

Örnek: Dış ortamda kullanılacak 25 mikron kalınlığında galvaniz kaplamalı bir çelik konstrüksiyonda yıllık ortalama korozyon kaybı 5 mikron/yıl olarak ölçülmüştür. Kaplama kaç yıl koruma sağlar?

Adım adım çözülmüş örnek

Yönerge: Aşağıdaki işlemi adım adım çözünüz. Adım 1: korozyon hızı hesaplanır: r = Δm ÷ (A × t) = 0,008 ÷ (40 × 30) = 0,0000067 g/cm²/gün. Adım 2: yoğunluk bölünür: d = 0,0000067 ÷ 7,85 = 0,00000085 cm/gün. Adım 3: yıllığa çevrilir: 0,00000085 × 365 = 0,00031 cm. Adım 4: mikrona çevrilir: 0,00031 cm = 3,1 mikron/yıl. Adım 5: yorumlanır: bu değer kabul edilebilir korozyon bütçesinin çok altındadır, yani yüzey korunduğu sürece numune yıllarca dayanır.

Kavram karşılaştırma tablosu

Tablodaki kalınlıklar endüstriyel uygulama değerleridir ve ortam koşullarına göre değişir; korozyon bütçesi hesabında bu kalınlıklar doğrudan kullanılır.

Sık Yapılan Hatalar

• Boya ile galvanizasyonu aynı saymak: Boya yalnız bariyer koruma verir ve çizikte açık verir; galvanizasyon katotik koruma sağlar ve çizikten sonra da korur.
• Kaplama kalınlığını ölçmemek: Boyada kuru film kalınlığı, galvanizde çinko kalınlığı ölçülmezse korozyon çok daha hızlı başlar.
• Yüzey hazırlığını atlamak: Yağ, pas ve pürüzlülük kaplamanın tutunmasını engeller; kaplama öncesi yüzey temizlenip düzeltilmelidir.
• Korozyon hızını kalınlık kaybına çevirmemek: Kütle kaybı g/cm²/gün olarak ölçülür; ömre karar vermek için yoğunluğa bölünüp yıllığa çevrilmelidir.
• Hesaplanan ömre güvenlik payı vermemek: Parçanın hesaplanan ömür boyunca çalışacağı varsayılmamalı, korozyon bütçesi ve güvenlik katsayısı uygulanmalıdır.
• Paslanmaz çeliği her ortamda kullanmak: Klorür bakırından zengin ortamlarda çukur aşınması başlar ve parça delinebilir; ortam analizi yapılmalıdır.
• Fosfatlama tek başına uzun süreli koruma sanmak: Fosfatlama yapıştırıcı tabaka oluşturur; tek başına bariyer koruma değildir.
• Kaplama altındaki pası gizlemek: Paslı yüzeye yapılan kaplama kısa sürede kabarır; kaplama öncesi pas tamamen alınmalıdır.

Özet

Çelik, demir esaslı olduğu için nem ve oksijenle tepkime girerek korozyona uğrar; bu süreçte oluşan tabaka hidratlı demir oksittir ve gözeneklidir, bu yüzden pas yüzeyde birikerek altındaki malzemenin korozyonunu hızlandırır. Korozyon için metal yüzeyi, nem ve oksijen olmak üzere üç koşul gereklidir; tuz ve sülfat gibi maddeler süreci hızlandırır. Korozyon hızı kütle kaybı üzerinden ölçülür: r = Δm ÷ (A × t) bağıntısıyla g/cm²/gün olarak bulunur. Bu değer metalin yoğunluğuna bölünerek günlük kalınlık kaybına çevrilir (çelik için ρ = 7,85 g/cm³) ve 365 ile çarpılarak yıllık kalınlık kaybı elde edilir. Örneğin 40 santimetrekarelik alanda 30 günde 0,008 gram kayıp yaşanan numunede hız 3,1 mikron/yıl olarak bulunur. Koruma yöntemleri iki temel mantıkla çalışır. Galvanizasyon çinko katmanı kaplar ve katotik koruma sağlar: çinko demirden daha aktiftir, hasarlı bölgede çinko anot olup önce korozyona uğrar ve korozyon ürünü çeliği korur; sıcak daldırmada kalınlık 45 - 85 mikron, elektro galvanizasyonda 5 - 25 mikrondur. Boya ise yalnızca bariyer koruma verir, bu yüzden kaplama bütünlüğü kritiktir ve bir çizik açık verir; atmosfer koşullarında kuru film kalınlığı 60 - 80 mikron olmalıdır. Fosfatlama hem barizer hem yapıştırıcı özellik sağlar ancak tek başına uzun süreli koruma sağlamaz; paslanmaz çelik ise yüzeyde kendini onaran bir pasif film oluşturur ama klorür bakımından zengin ortamlarda çukur aşınması riski taşır. Tasarımda korozyon bütçesi (genellikle yıllık 0,1 mm) belirlenir ve kaplanan parçanın ömrü bu sınır ve güvenlik katsayısıyla belirlenir. Kaplama öncesi yüzeyin yağ ve pastan arındırılması ve pürüzlülüğün giderilmesi zorunludur.

Kendini dene

Aşağıdaki dört soruyu yanıtlayarak çalışma kâğıdına yaz. Kendini şu ölçütle değerlendir: (1) paslanmanın üç koşulunu ve pasın neden kendini beslediğini açıkladıysan 10 puan, (2) korozyon hızını yoğunluğa bölüp yıllık kalınlık kaybına çevirdiysen 10 puan, (3) katotik koruma ile bariyer koruma arasındaki farkı mekanizma düzeyinde açıkladıysan 10 puan, (4) bir parçanın kaplama ömrünü kalınlık ve korozyon hızından hesaplayıp denetim planı yazdıysan 10 puan almışsındır. Toplam 40 puandır.