BURSA TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bölümü DENEY FÖYÜ ELEKTROKİMYASAL KOROZYON Prof. Dr. Deniz UZUNSOY Arş. Gör. Burak KÜÇÜKELYAS 2016-2017 Bahar Dönemi Malzeme Proses Laboratuvarı Dersi Deney No: 2
ELEKTROKİMYASAL KOROZYON DENEYİ 1. DENEYİN AMACI Elektrokimyasal korozyonun temel elemanlarının tanımlanması ve bu elemanların korozyon hücresindeki görevlerininin öğrenilmesi. Tafel ekstrapolasyon yöntemi ile korozyon potansiyeli (Ecorr), korozyon akım yoğunluğunun (Icorr) ve bunlara bağlı olarak korozyon hızının bulunması ve metallerin açık devre potansiyelleri ve korozyona uğrama hızlarının karşılaştırılması. 2. TEORİK BİLGİLER Günlük hayatta kullanılan metallerin büyük bir kısmı atmosfer koşullarında kararsız haldedir. Cevher hallerinden indirgenerek üretimi yapılan bu metaller, yeniden cevher halindeki formlarına geçmeye veya buna benzer metalik bileşikler oluşturarak kararlı hale gelmeye çalışırlar[1]. Korozyon; basit tanımıyla, metalin termodinamik kararlılığına dönüş prosesidir. Bu durum, bir çok malzeme için, oksitli veya sülfürlü bileşiklerinin oluşmasıdır [1]. Korozyon olayı, çoğunlukla termodinamik kanunlarına göre gerçekleşen elektrokimyasal reaksiyonlar sayesinde ve korozyona uğrayan metalin yüzeyinde gerçekleşir[1,2]. Metalik malzemelerin korozif ortamlarda uzun süreli tutulmasıyla yapılarında meydana gelebilecek değişimleri tahmin edebilmek ve korozyona dayanıklı alaşımlar geliştirebilmek için korozyon mekanizmasının iyi anlaşılması gerekir[3]. Metalik malzemelerin korozyonu genellikle malzemeye zarar veren özelliktedir ve korunulması gerekir. Fakat iyi anlaşılmış ve kontrol edilebilen bazı proseslerde elektrokimyasal olarak malzeme üretimi yapılabilir. Yarıiletkenler üzerinde elektrokimyasal etki yardımıyla oluşturulan kısmı yüzeyler buna örnek olarak verilebilir[3].
Sıvı içerisinde gerçekleşen korozyon olayında korozyona uğrayan metal bir elektrot olarak davranır ve bir elektrolit ile temas halindedir[3]. Bu şekilde birbirleri ile teması bulunan iki metal parçası elektrolit içerisinde iken bir elektrokimyasal hücre oluşur. Bu hücrede devrenin tamamlanması ile elektrokimyasal korozyon olayı ve/veya elektrokaplama meydana gelir[4]. Bir elektrokimyasal hücrenin şematik olarak görünümü şekil 1 de görülmektedir[4]. Şekil 1: Bir elektrokimyasal hücre ve elemanları a) Olası bir elektrokaplama hücresi b) Bakır ve çelik boru arasında oluşan korozyon hücresi[4] Bir elektrokimyasal hücrenin temel elemanları ve özellikleri kısaca şöyle sıralanabilir[4]: Anot: Devreye elektron veren ve korozyona uğrayan elemandır. Katot: Devreden elektron alan elemandır. Elektronlar iyonları indirgeyerek katotta ürün oluştururlar. Fiziksel Temas Elemanı: Devrenin tamamlanması için katot ve anot hücrede temas halinde olmalıdır. Bu teması sağlayan elemanla birlikte elektronların anottan katoda doğru hareketi sağlanır. Elektrolit: Devreyi tamamlayan iletken yapıdaki çözeltidir. Anot ve katodun her ikisiyle temas halindedir ve metal iyonlarının anottan koparak katoda doğru hareket etmesini sağlar.
Burada metal anot oksidasyona uğrar ve yükseltgenir. Metalik halden iyon haline geçmiş olan metal iyonları elektrolite geçer ve elektronlar fiziksel temas elemanına doğru yönlenir. Bu esnada anotta gerçekleşen genel reaksiyon şu şekildedir[4]: M M n+ + ne - (1) Metal atomları iyon haline geçerek anodu terkettikleri için anot korozyona uğrar. Elektrokaplama prosesinde katotta indirgenme reaksiyonu olur ve katot yüzeyi bu sayede kaplanır. Bu durumda oluşacak reaksiyonun genel denklemi şöyledir [4]: M n+ + ne - M (2) Elektrokimyasal korozyon esnasında genellikle indirgenme reaksiyonu katotta yan ürünler oluşturarak meydana gelir. Bu yan ürünler gaz, sıvı veya katı olabilir[4]. HCl(Hidroklorik asit) veya durgun su gibi oksijenin mevcut olmadığı ortamlarda en sık görülen durum hidrojen gazının açığa çıkmasıdır[4]. 2H + + 2 e - H2 (3) Hava içeren suda ise hidroksil ve OH - iyonları oluşur. Burada katot ve elektrolit bir süre sonra OH - iyonlarınca zenginleşir ve Fe 2+ gibi pozitif yüklü iyonlarla reaksiyona girer ve son ürün olarak pas olarak adlandırılan katı formdaki bileşikleri oluştururlar[4]. O2 + 2H2O + 4e - 4 OH - (4) Oksitleyici asitlerde ise katotda su yan ürün olarak oluşur[4]. O2 + 4H + + 4e - 2H2O (5) Dışarıdan herhangi bir akım etkisi olmasa bile her metalin kendine özgü elektrolitik olarak çözünme eğilimi vardır. Metale ait bu özellik elektrokimyasal potansiyel değeri ile ifade edilir. Her bir metalin standart bir elektroda göre potansiyeli şekil 2 de görülen yarım pil hücresi ile belirlenebilir[5].
Şekil 2: Yarım pil hücresi örneği[5] Yarım pil hücrelerinde ölçülen potansiyeller yardımı ile metallerin elektron bırakma eğilimleri belirlenir. Bu ölçümlerde referans elektrot olarak alınmış olan hidrojen elektrodun potansiyeli sıfır olarak alınır ve diğer metal ile arasındaki potansiyel fark edilir. Bu yolla metallerin elektromotor kuvvet serileri oluşturulur. Bu yarım hücrede metalin elektronlarını bırakma eğilimi hidrojenden daha fazla ise bu metalin potansiyeli negatiftir[4]. Şekil 3 te bazı metallerin EMK serisindeki potansiyelleri görülmektedir[5]. Şekil 3: Bazı metallerin EMK değerleri[5]
Metal ve alaşımların korozyona karşı dayanımlarını birbirleri ile karşılaştırabilmek için, her birinin korozyon hızı nicel verilerle ifade edilebilmelidir. Literatürde korozyon hızının çeşitli yollardan ifadesi mevcuttur. Sulu ortamlarda gerçekleşen korozyon elektrokimyasal nitelikte olduğu elektrokimyasal korozyon test yöntemlerinin önemi büyüktür [6]. Elektrokimyasal olarak korozyon hızını ölçmekte kullanılan yöntemler şekil 4 te görülmektedir[7]. Şekil 4: Elektrokimyasal korozyon ölçme yöntemleri [7] Tafel yöntemi ile çizilen yarı logaritmik akım yoğunluğu potansiyel grafiğindeki eğrilerinin yardımıyla korozyon potansiyeli ve korozyon akımı değerleri belirlenir. Şekil 5 te bu değerlerin grafik üzerinde nasıl bulunduğu gösterilmektedir[6]. Tafel yönteminin avantajları şöyle sıralanabilir[6]: - Çok düşük korozyon hızlarının tespit edilmesinde bile kullanılabilir. - Korozyon akımı ve korozyon hızı kısa zaman içerisinde bulunabilir. - İdeal koşullar altında bu yöntemle elde edilen değerlerin doğruluğu geleneksel ağırlık kayıp metotlarıyla elde edilen değerlere eşit değerlerdedir.
Şekil 5: Tafel ekstrapolasyon yöntemi ile korozyon akımın (Icorr, Ikor) bulunması[6] 3. DENEYİN YAPILIŞI %3.5 NaCl içeren sulu çözelti hazırlanır korozyon testi yapılacak metal yüzeyi yüksek mesh numarasına sahip zımparalama kağıdı ile zımparalama işlemine tabi tutulur ve elektrot olarak bağlantısı yapılarak düzenek içerisine yerleştirilir. Ag/AgCl referans elektrodu ve platin katot kullanılarak belirlenen potansiyel aralığında tarama yapılarak tafel eğrileri çıkartılır. Çıkartılan bu eğrilerden Icorr ve Ecorr değerleri belirlenir ve bu verilere dayanarak korozyon hızı hesaplaması yapılır. 4. RAPOR İÇİN İSTENENLER 1- Korozyon hızının ölçümü için mevcut olan ASTM, DIN ve TSE standartlarını araştırınız, bulduğunuz standart numaralarını yazınız ve haklarında kısaca bilgi veriniz. Standartların ne işe yaradığını ve bu üç farklı standart kuruluşunun açılımlarını ve görevlerini belirterek açıklayınız.
2- Korozyon ölçümlerinde kullanılan 2 farklı referans elektrot türü belirleyiniz ve bu referans elektrotlara göre deniz suyu içerisinde metallerin galvanik serisini (standart potansiyellerini) araştırınız. 3- Korozyondan korunmak için kullanılan yöntemleri araştırınız ve bu yöntemlerden beğendiğiniz bir tanesinin mekanizmasından bahsediniz. 4- Açık devre potansiyelinin korozyon ile ilgisini araştırınız. 5- Korozyon hızının ölçülmesinde kullanılan tafel ekstrapolasyon yöntemi haricinde bir yöntem seçerek açıklayınız. 6- Korozyon çalışmalarında elektrolit olarak tuzlu su kullanılacaksa, sıklıkla %3.5 tuz oranının tercih edilmesinin sebebi ne olabilir? 5. YARARLANILAN KAYNAKLAR [1] Schweitzer, P.A. 2010. Fundamentals of Corrosion: Mechanisms, Causes and Preventative Methods. FL: CRC Press. [2] Metrohm Autolab B.V. Corrosion Part 2 Measurement of Corrosion Rates. www.metrohmautolab.com/download/applicationnotes/autolab_application_note_cor02.p df Son Erişim Tarihi: 23.02.2017 [3] ASM Metals Handbook, Volume 13A. 2003. Corrosion: Fundamentals, Testing, and Protection. [4] Askeland, D. R. Malzeme Bilimi ve Mühendislik Malzemeleri, Cilt 2. Çeviri Editörü: Erdoğan, M. Ankara:Nobel Yayın Dağıtım [5] Aran, A. Malzeme Bilimi Ders Notları. İstanbul Teknik Üniversitesi, Makine Fakültesi [6] Gerengi, H., Tafel Polarizasyon (TP), Lineer Polarizasyon (LP), Harmonik Analiz (HA) ve Dinamik Elektrokimyasal Empedans Spektroskopisi (DEIS) Yöntemleriyle Düşük Karbon Celiği (AISI 1026), Pirinc-MM55 ve Nikalium-118 Alaşımlarının Yapay Deniz Suyunda Korozyon Davranısları ve Pirinc Alasımlarına Benzotriazol un İnhibitor Etkisinin Araştırılması, Doktora Tezi, Eskisehir Osmangazi Üniversitesi - Fen Bilimleri Enstitüsü, Eskişehir,2008. [7] Bereket, G., Gerengi, H., 2015. How truly electrochemical measurements are evaluated in corrosion researches? Korozyon Dergisi, 21, 33-44.