Corrosie, oxidatie en roest zijn verwante maar verschillende processen. Corrosie is de geleidelijke aantasting van materialen, vooral metalen, veroorzaakt door chemische interacties met hun omgeving. Oxidatie, corrosie en andere chemische reacties leiden tot verkleuring, vervorming of metamorfose van het samenstellende materiaal. Daarom zijn de verschillen en relaties tussen corrosie, oxidatie en roest essentieel.

Het draagt bij aan het behoud van de levensduur van materialen, het minimaliseren van negatieve economische gevolgen en het vergroten van de veiligheid op diverse gebieden. Dit inzicht biedt de industrie maatregelen en strategieën om de afbraaksnelheid van de materialen te vertragen, waardoor de duurzaamheid van cruciale onderdelen wordt verbeterd. Dit leidt op zijn beurt tot lagere reparatie- en vervangingskosten. Wereldwijde implementatie van best practices op het gebied van corrosiepreventie zou aanzienlijke besparingen kunnen opleveren, geschat op 15-35% van de schade-kosten, wat neerkomt op US$375 miljard tot US$875 miljard per jaar^[1]. Het is van essentieel belang om deze verschijnselen te reguleren om catastrofale storingen te voorkomen die levens in noodzakelijke sectoren zoals de bouw en het vervoer in gevaar kunnen brengen. Bovendien leidt deze kennis tot innovaties, zoals de ontwikkeling van nieuwe materialen die niet snel corroderen. Het draagt bij aan het maken van betere en duurzamere producten, aangezien het een katalysator voor verandering is.

Corrosie definiëren

Corrosie is een soort degradatie die materialen zoals metalen aantast door de chemische reactie tussen het materiaal en zijn omgeving, wat resulteert in onrendabele, onveilige en ongezonde producten. Deze aantasting kan in verschillende stappen gebeuren. Het leidt meestal tot de vorming van oxide, hydroxide of soortgelijke verbindingen binnen de stof en dat wat de oorspronkelijke constructie van dat materiaal heeft aangetast/vernield.

Soorten corrosie

Coronatie kan in verschillende vormen voorkomen, afhankelijk van de omgeving en de materialen die in contact komen met de corrosiemiddelen. De meest voorkomende types zijn:

1. Galvanische corrosie

Het treedt op wanneer twee verschillende metalen elektrisch met elkaar in contact komen in een vochtige omgeving. Het anodische metaal zal sneller achteruitgaan dan wanneer het onafhankelijk van elkaar bestaat, terwijl het kathodische metaal langzamer achteruitgaat. Het potentiaalverschil tussen twee metalen is cruciaal bij galvanische corrosie en gaat gepaard met de vergelijking van Nernst:

E_Cel=E⁰_kathode-E⁰_anode-(RT/nF) ln([Ox]/[Rood] )

E_Cel=celpotentiaal, E⁰=standaard elektrodepotentialen, R=Gasconstante, T=temperatuur, n=aantal overgedragen elektronen, en F de constante van Faraday is.

2. Putcorrosie

Putcorrosie is een soort plaatselijke corrosie die kleine, diepe gaten in het materiaal maakt. Het is bijzonder gevaarlijk omdat het kan leiden tot snel falen van het materiaal, zelfs met minimaal totaal materiaalverlies. De putcorrosiefactor is van toepassing om de impact van putcorrosie te beoordelen. Wanneer de putcorrosiefactor hoger is, geeft dit aan dat putcorrosie ernstig is.

Pitting Factor=(Diepte van de diepste put)/Gemiddeld dikteverlies door corrosie

3. Spleetcorrosie

Bij dit type corrosie ontwikkelen zich zuurstofconcentratiecellen in putten, spleten of onderafzettingen. Hierdoor kan de plaatselijke oplossing stagneren, wat plaatselijke corrosie veroorzaakt. Spleetcorrosie treedt bijvoorbeeld op rond de naad van een metalen plaat waar metaal op een pakking aansluit of bij het gebruik van bouten en moeren. De snelheid van spleetcorrosie hangt af van factoren zoals de concentratie van chloride-ionen ([Cl^-] en de pH van de oplossing in de spleet:

Corrosiesnelheid ∝ [Cl^–]e^(-∆G/RT)

In deze vergelijking, ΔG de verandering in de vrije energie van Gibbs is, R de gasconstante is, en T is de temperatuur.

Corrosiegevoelige materialen

De corrosiebestendigheid hangt af van de samenstelling van het materiaal, de structuur en de omgeving waarin het metalen of niet-metalen materiaal zich bevindt. IJzer en staal zijn bijzonder gevoelig voor roest omdat ze snel oxideren, vooral wanneer ze in contact komen met vocht en zuurstof. Hoewel aluminium een passieve oxidelaag ontwikkelt, ondervindt het ook put- en spleetcorrosie in chloridehoudende omstandigheden. Koper en koperlegeringen zijn gevoelig voor galvanische corrosie. Dit is vooral het geval wanneer ze in contact komen met metalen zoals aluminium of staal en open staan voor een wateromgeving. Als lid van de groep anoden die nuttig zijn bij kathodische bescherming, fungeert zink als een anode in de galvanische beschermingsmodellen om te corroderen met behoud van het eigenlijke metaal.

Industriële impact van corrosie

De gevolgen van corrosie zijn voelbaar in de gehele industriële waardeketen, in de meeste, zo niet alle, sectoren waar metaal wordt gebruikt. Deze bedreiging heeft voor economieën tot gevolg dat de industrieën jaarlijks miljarden dollars verliezen als gevolg van corrosie. De wereldwijde kosten van corrosie worden geschat op US$2,5 biljoen, wat overeenkomt met 3,4% van het wereldwijde bruto binnenlands product (bbp) in 2013; volgens sommige schattingen bedragen deze kosten nu meer dan US$3 biljoen per jaar^[1]. De schade omvat de kosten voor onderhoud en vervanging van constructies die aan corrosie onderhevig zijn, productieverlies als gevolg van corrosie en andere daarmee samenhangende gevolgen. Een verminderde veiligheid, betrouwbaarheid en duurzaamheid zijn enkele van de gevolgen van corrosie. Corrosie kan leiden tot plotselinge defecten aan constructies, transportmiddelen en nutsvoorzieningen zoals bruggen, pijpleidingen en vliegtuigen. De structurele integriteit neemt bij corrosie af vanwege het hoge risico op plotseling falen.

Wat de fysieke omgeving betreft, leidt corrosie tot gevaren zoals het vrijkomen van gevaarlijke stoffen uit gecorrodeerde pijpleidingen en opslagtanks, en uit gewapend beton in civieltechnische constructies. Dit effect brengt op zijn beurt gevaren met zich mee voor zowel de fysieke als de menselijke omgeving. Om deze uitdagingen aan te pakken, maken ingenieurs gebruik van diverse methoden voor corrosiebeheersing. Dergelijke methoden omvatten onder meer de keuze van corrosiebestendige materialen en coatings, kathodische bescherming en corrosieremmers, waarvoor in alle gevallen kennis van corrosie vereist is. De markt voor corrosiewerende coatings, een belangrijke strategie ter beperking van de gevolgen, werd in 2023 geschat op 20,59 miljard USD en zal naar verwachting groeien tot 33,28 miljard USD in 2030, met een samengesteld jaarlijks groeipercentage (CAGR) van 7,4% ^[2].

Oxidatie begrijpen

Oxidatie is een primaire chemische reactie die cruciaal is in veel processen in de natuur en de industrie. Fundamenteel houdt oxidatie het afstaan of delen van elektronen met andere soorten in, waarbij er een algemene tendens is om elektronen te verliezen door een stof, vaak een metaal, en elektronen te winnen van andere stoffen, meestal zuurstof.

Oxidatie is een algemeen chemisch proces dat onafhankelijk van corrosie kan optreden. Hoewel het kan leiden tot corrosie in metalen, is oxidatie niet altijd schadelijk en kan het gunstig zijn, zoals bij de vorming van beschermende oxidelagen op metalen zoals aluminium.

Chemische reactie Proces van oxidatie

Oxidatie is een chemisch proces waarbij een atoom of molecuul één of meerdere elektronen verliest. Dit proces gaat meestal gepaard met reductie waarbij een andere stof de elektronen opneemt die vrijkomen of verloren gaan door het geoxideerde materiaal. Beide processen zijn redoxreacties (reductie-oxidatie). De volgende vergelijking kan de algemene vorm van een oxidatiereactie weergeven:

M→Mⁿ⁺+ne^–

Waar M is het metaal of de stof die oxidatie ondergaat. Mⁿ⁺ is de geoxideerde vorm van de stof (een kation in het geval van metalen).n staat voor het aantal elektronen dat verloren gaat. Bijvoorbeeld, bij de oxidatie van ijzer is de reactie:

Fe²⁺+2e^–

Zuurstof is meestal de oxiderende stof in de meeste oxidatieprocessen. Dit betekent dat zuurstof de elektronen wint die het metaal of een andere stof verliest. Dit kan leiden tot de vorming van oxiden, zoals

4Fe+3O₂→2Fe₂O₃

In deze vergelijking reageert ijzer (Fe) met zuurstof (O₂) tot ijzeroxide (Fe₂O₃), wat roest is.

Veelvoorkomende voorbeelden van oxidatie in het dagelijks leven

Oxidatie is een alomtegenwoordig proces dat in veel alledaagse situaties voorkomt, vaak met merkbare gevolgen:

Roesten van ijzer en staal:

Wanneer ijzer of staal wordt blootgesteld aan zuurstof en vocht, reageert het om een roodbruine substantie te vormen die roest wordt genoemd en voornamelijk bestaat uit ijzeroxide. Dit is een typisch geval van oxidatie die leidt tot de vernietiging van metalen voorwerpen zoals gereedschap, voertuigen en constructies.

Het aantasten van zilver:

Zilveren bestek en sieraden zijn andere producten die kunnen roesten door oxidatie. Dit komt doordat zilver bij blootstelling aan de lucht reageert met zwavelverbindingen, wat leidt tot de vorming van zilversulfide, dat zwart is en zich hecht aan het oppervlak van het metaal.

2Ag+H₂S→Ag₂S+H₂

Verschil tussen oxidatie en corrosie

Het is cruciaal om onderscheid te maken tussen oxidatie en corrosie, hoewel ze vaak door elkaar worden gebruikt. Oxidatie is een chemische reactie waarbij een verbinding elektronen verliest, vaak in aanwezigheid van zuurstof. Dit kan gebeuren in zowel organische als anorganische verbindingen. Het is een breder proces dat nuttig kan zijn, bijvoorbeeld in het verbrandingsproces dat leidt tot energie of bij het vormen van oxidelagen op sommige metalen zoals aluminium.

Aan de andere kant is corrosie de aantasting van een materiaal, vooral metalen, door chemische interactie met de omgeving. Het is belangrijk op te merken dat, terwijl oxidatie één type corrosie is, bijvoorbeeld het roesten van ijzer, er ook andere typen corrosie zijn, waaronder de effecten van zuren, basen, vocht en zouten. Bovendien houdt corrosie verband met ongewenste gevolgen zoals materiaaldefecten, verliezen en potentiële gevaren. De kennis van oxidatie en corrosie is cruciaal in verschillende toepassingsgebieden omdat het helpt bij het bedenken van manieren om de achteruitgang van materialen te beperken.

Belangrijkste verschillen en effecten van oxidatie en corrosie

Hoewel oxidatie en corrosie verwant zijn, zijn het twee verschillende processen met verschillende effecten op de materialen. Oxidatie is een chemisch proces waarbij een stof elektronen verliest, meestal met zuurstof, en kan voorkomen in zowel organische als anorganische materialen. Het is een uitgebreider proces dat constructief kan zijn, zoals in ontstekingsprocessen tijdens verbranding of de vorming van een oxidelaag op metalen zoals aluminium.

Het verschilt echter van corrosie. Corrosie is de aantasting van materialen, vooral metalen, door chemische interactie met hun omgeving. Aangezien oxidatie één vorm van corrosie is, zoals het roesten van ijzer, omvat corrosie ook andere soorten reacties, waaronder reacties die optreden door zuren, basen, vocht en zouten. Corrosie heeft over het algemeen nadelige gevolgen die leiden tot verslechtering van materialen, financiële verliezen en risico's voor veiligheid en gezondheid. Het is cruciaal om het verschil tussen oxidatie en corrosie te begrijpen in veel studiegebieden, omdat het bijdraagt aan de formulering van efficiënte methoden om materiaaldegradatie tegen te gaan.

Wat is roest?

Roest is een vorm van corrosie die ijzer en aanverwante legeringen zoals staal aantast. Het is een roodbruin schilferig materiaal dat zich afzet op het oppervlak van ijzer als gevolg van een chemische reactie tussen ijzer, zuurstof en vocht. Roest komt vaak voor in veel industriële en dagelijkse toepassingen omdat het de sterkte en esthetiek van producten op ijzerbasis aantast.

Het proces van roestvorming

Roestvorming is een chemisch proces dat verschillende stappen omvat. De eerste stap omvat de vorming van ijzeroxiden met behulp van water en zuurstof en de oxidatie van ijzer. Het algemene proces verloopt als volgt:

Oxidatiereactie

IJzer (Fe) verliest elektronen en reageert met zuurstof (O₂) in de aanwezigheid van water (H₂O) om ijzer(II)ionen (Fe²⁺) te vormen.

Fe²⁺+2e^–

Vorming van ijzerhydroxide: De Fe²⁺ ionen reageren met water en zuurstof om ijzer(II) hydroxide (Fe(OH)₂) te vormen.

Fe²⁺+2H₂O+O₂→Fe(OH)₂

Oxidatie van ijzerhydroxide: IJzer(II)hydroxide oxideert verder en vormt ijzer(III)hydroxide (Fe(OH)₃).

4Fe(OH)₂+O₂+2H₂O→4Fe(OH)₃

Vorming van roest: IJzer(III)hydroxide dehydrateert tot ijzer(III)oxide-hydroxide (FeO(OH)), beter bekend als roest. De roest is een complex mengsel van ijzeroxiden en -hydroxiden.

4Fe(OH)₂→Fe₂O₃ .3H₂O

Omstandigheden die leiden tot roest

Roestvorming en andere factoren zijn afhankelijk van een aantal onderliggende factoren. Deze factoren zijn onder andere de beschikbaarheid van vocht, blootstelling aan zuurstof en elektrolyten, omgevingsomstandigheden, temperatuur en verontreinigingen op het oppervlak.

Water is essentieel voor roestvorming omdat het een elektrolyt is. Water biedt een omgeving voor oxidatiereductiereacties die nodig zijn voor roestvorming, waarbij een hoge luchtvochtigheid of directe regen gevaarlijker zijn.

Zuurstof is ook een essentiële voorwaarde voor roestvorming. Plekken met een goede beluchting of veel zuurstof, zoals metalen constructies, auto's en machines, zijn gevoelig voor roestvorming. De roestvorming kan toenemen door het gebruik van zouten en zuren die de elektrochemische activiteit van het metaal verhogen. Dit probleem ontstaat door het gebruik van zeewater om de geleidbaarheid te verbeteren.

Een sterk zure omgeving versnelt bijvoorbeeld roestvorming omdat oxidatie sneller verloopt in zure omstandigheden (lage pH). Alkalische omstandigheden bevorderen roestvorming ook, maar minder sterk dan zure omstandigheden.

Temperatuur speelt een rol omdat hoge temperaturen de roestvorming versnellen door de snelheid van chemische reacties te verhogen. Toch kan roestvorming ook bij lage temperaturen optreden als er vocht en zuurstof aanwezig zijn.

Ten slotte, in chemische zin, belemmert vervuiling van het oppervlak met materialen zoals vuil of olie de afvoer van vocht weg van het metaal, waardoor gelokaliseerde gebieden worden blootgesteld aan roest.

Vaak aangetaste materialen

IJzer, gietijzer en gelegeerd staal zijn de meest typische materialen die roest aantasten. IJzer is het meest kwetsbaar voor roest omdat het een chemische reactie aangaat met zowel zuurstof als vocht waar het open is. Koolstofstaal bestaat voornamelijk uit ijzer, met een klein percentage koolstof en andere elementen. Hoewel het ook gemakkelijk kan roesten, kunnen koolstof en die legeringselementen de roestsnelheid verhogen of de roesteigenschappen veranderen. Elk type ijzermateriaal kan roesten. Smeedijzer zal echter sneller roesten dan staal of gietijzer omdat dit laatste een hoger percentage koolstof bevat en een meer poreuze en schilferige roest zal vormen.

Legeringstaal met een laag koolstofgehalte en een gemiddeld koolstofgehalte bieden enige bescherming tegen roest, maar zijn onder bepaalde omstandigheden gevoelig voor roest. Materialen zoals chroom en roestvrij staal zijn beter bestand door de passieve oxidelaag die op hun oppervlak wordt gevormd en die roestvorming tegengaat.

Belangrijkste verschillen tussen corrosie, oxidatie en roest

Conclusie

Bewustwording van de verschillen tussen corrosie, oxidatie en roest is van het grootste belang bij het beschermen van infrastructuur en machines tegen voortijdige slijtage. Innovatieve materialen, waaronder roestvrij staal, aluminium en titaniumlegeringen, beschermende coatings, intelligente sensoren en zelfherstellende materialen, spelen een cruciale rol bij het aanpakken van deze problemen.

Verdere studies naar de vooruitgang van de corrosiewetenschap omvatten de ontwikkeling van nanotechnologie, kunstmatige intelligentie in corrosievoorspelling en groene inhibitoren. Deze materialen zijn van vitaal belang voor de verbetering van materiaaleigenschappen. Als deze industrieën deze innovaties blijven steunen, kunnen ze de bescherming van eigendommen verbeteren, verliezen minimaliseren en de veiligheid en betrouwbaarheid in verschillende toepassingen garanderen.

Referenties

[1] NACE International – Onderzoek naar internationale maatstaven voor preventie, toepassing en economische aspecten van corrosietechnologieën (IMPACT) http://impact.nace.org/economic-impact.aspx

[2] Grand View Research – Rapport over de omvang van de markt voor corrosiewerende coatings, 2030; [3] Grand View Research – Omvang en marktaandeel van corrosieremmers | Sectorrapport 2030 https://www.grandviewresearch.com/industry-analysis/corrosion-protective-coatings-market