Snel snappen waarom uw oppervlak corrodeert
R.F.G.H. Hutten (ECN) Oktober 2014 ECN-L--14-060
Snel snappen waarom uw oppervlak corrodeert Remco Hutten ECN Engineering Petten / Eindhoven Surface 2014 – stand 214 7 - 9 oktober 2014
www.ecn.nl
ECN Engineering • Engineering & realisatie
Petten
• Corrosieonderzoek • Schadeonderzoek • Materiaalkunde & karakterisering • Lasertechnologie
High Tech Campus Eindhoven
• 3D printen keramiek en metaal • Luchtkwaliteitsmetingen 2
Doel Voorkomen van: • • • • •
Onverwacht falen Verkeerde materiaalkeuze Schade en ongelukken Langdurige corrosietesten Kosten
Snel snappen waarom úw oppervlak corrodeert? Of beter: hoe kunt u – door snel én goed inzicht – en niet door schade en schande – corrosie voorkomen? 3
Corrosie in de praktijk
4
Corrosie in de praktijk Schade door corrosie • • • •
Aantasting veiligheid Aantasting milieu en duurzaamheid Verlies van productiviteit (stilstand, ongepland onderhoud, gevolgschade) Kosten: > 18 miljard € per jaar = 3% van BNP in Nederland
5
Corrosie in de praktijk Corrosie is vaak onbegrepen • Verschillende verschijningsvormen • Corrosiebestendigheid is géén materiaaleigenschap
6
Corrosie in de praktijk Corrosie is vaak onbegrepen • Verschillende verschijningsvormen • Corrosiebestendigheid is géén materiaaleigenschap
Omstandigheden
Materiaal
CORROSIE Milieu
Gebruik 7
Elektrochemische corrosie Metaal gaat in oplossing onder afgifte van elektronen • Elektrochemische processen
Uniforme corrosie
Electrolyte: Ion transport Anodic reaction:
Cathodic reactions:
2 pH 2O pe pO2 pOH
Me Me p pe
2 pH 2 pe pH 2
pe
• Elektronenstroom is te meten – Processen volgen = elektrochemische karakterisering
• Processen opdringen – Spanning variëren – Processen versnellen – Biedt een wereld aan inzichten
Metal
Metal: Electron transport
Electrolyte: Ion transport
Galvanische corrosie
Anodic reaction:
Me Me
Cathodic reactions: p
pe
2 pH 2O pe pO2 pOH
2 pH 2 pe pH 2
pe Less noble Metal 1
noble Metal 2
8
Corrosiemechanismen Uniforme corrosie
Locale corrosie Inter-/transgranulaire corrosie metaal
Pitting
Corrosion rate analysis
Transport H2O, O2, NaCl, corrosieproducten etc. -5
Log(Current /A)
Me2+
H2,OH-
Coating: barrièreeigenschappen?
-6
anode- en cathodereacties -7
Uniforme corrosie gevolgd door pitting
Corrosiesnelheid: -8
Vcorr = 0,11 mm/jaar -0.4
-0.3
-0.2
Potential
-0.1
0.0 V
9
Voorspelbaar
Niet voorspelbaar…
of toch wel?
Standaard corrosietesten Zoutsproeitest, Kesternich, …. • Vrijgavetest, meestal opgelegd door afnemers • Testresultaten zijn vergelijkbaar Maar… • Langdurig • Eén milieu, één proces • Corrosieproces onduidelijk • Vaak niet realistisch – Ten onrechte goedkeur – Ten onrechte afkeur 10
Elektrochemische karakterisering
Reference electrode = RE Counter electrode = CE
RE CE WE
Working electrode = WE
controller
Potentiostaat
Elektrolyt (milieu) Te onderzoeken materiaaloppervlak
11
Elektrochemische karakterisering • Vergelijkbare condities als praktijk – Elektrolyt: vergelijkbaar met werkelijk milieu – Temperaturen
Polarisatie curves
• Inzicht in werkelijke corrosiemechanismen
• Zeer gevoelige detectie • Verschillende testen • Versnelde corrosie mogelijk • Veel kortere testtijden: 1 uur – 1 week
Log current density
– Werkelijkheid wordt nagebootst – Locale processen worden wel voorspelbaar
potential
12
Electrochemische karakterisering • Bij ECN veel gebruikte testen Test
Waarvoor?
OCP
Open Circuit Potential meting
Eerste indruk stabiliteit
PC
Polarisatie Curve
Corrosiegedrag, -mechanismen
EIS
Electrochemical Impedance Spectroscopy
Bij oppervlaktelagen
SDM
Stepwise Dissolution Method
Versnelde test, alle mechanismen
ECN
Electro Chemical Noise / Ruis-meting
Locale corrosieprocessen
13
Goed snappen… • Elektrochemische karakterisering geeft snel eerste inzicht • Aanvullend metallografisch onderzoek voor begrip en verklaring – microscopie, SEM, element-analyse
14
Goed snappen… • Elektrochemische karakterisering geeft snel eerste inzicht • Aanvullend metallografisch onderzoek voor begrip en verklaring – microscopie, SEM, element-analyse
Voorbeelden: praktijk-cases van onderzoek
15
Voorbeeld 1: PC, SDM, ruis-meting Vergelijking soldeertypen AISI316L M&G 316L vs
A
Soldeerverbinding: 2 typen toegepast met RVS AISI316L
BNi2
-2
BNi2-soldeer PC in Cl-houdend kraanwater @60°C
-4
Current
-6
SDM: Stepwise Dissolution Method (versnelde corrosietest)
AISI316L
-8
accumulated Charge [Coulomb/unit area] 0,08
laser-las in Cl-water
BNi-5-condens 0
1
2
Potential
-2
BNi-5-Cl-water
V
AISI316L M&G 316Lvs BNi5
A
0,07
las 5-condens 0,06
Coulomb/cm2
BNi5-soldeer
-4
las 1-Cl-water
0,05
0,04
BNi-5 in condens
0,03
Current
-6 0,02
AISI316L
-8
BNi-5 in Cl-water
0,01
laser-las in condens
0 0
-1
0
1
Potential
5
10
15
number of cycles
2 V
20
25
16
µA
M&G 316L vs BNi-2 + 316L vs BNi-5 Voorbeeld 1: PC, SDM, ruis-meting Vergelijking soldeertypen 10
0
Current
-10
µA
V
-20 -30 -40 10
M&G 316L vs BNi-2 + 316L vs BNi-5 0
Potential Current
20
40
60
BNi5-soldeer
80
BNi5
0.2 0 -10 0.0 -20
BNi2
-0.2 -30
Ruis-meting, passieve (BNi5) en actieve (BNi2) soldeerverbinding
-40 V
0 0
20 20
40 40
60 60
time
Potential
80 80
24 hr
0.2
ks
0.0
BNi2-soldeer-verbinding
BNi2-soldeer -0.2 0
Niet gezien in de Salt Spray Test!
20
40
60
80
time
AISI316L
ks
AISI316L
BNi2-soldeer
17
Voorbeeld 2: EIS (coatings) Organische primer op aluminium Electrochemical Impedance Spectroscopy EIS measurements of organic coating
Fysische interpretatie
Equivalente circuits Re
Qcoating
-40000
t t t t
Z'' Ohm cm2
-30000
= = = =
0 hours 24 hours 100 hours 1000 hours
Degradation of coating system over time
-20000
Element Re Re Qcoating-Q Qcoating-n
Freedom Free(+) Qcoating Free(+) Free(+)Rcoating
Data File: Circuit Model File: -10000
0 0
10000
20000
Z' Ohm cm2
30000
40000
Re Qcoating Element Freedom Mode: Re Free(+) Rcoating Maximum Iterations: Qcoating-Q Free(+) Optimization Iterations: Qcoating-n Free(+) Type of Fitting: Rcoating Free(+) Type of Weighting:
Element Freedom ReData File: Free(+) Qcoating-Q Free(+) Circuit Model File: Qcoating-n Free(+) Rcoating Free(+) Mode: Qdl-Q Free(+)
Qdl Rct
Value 120 1E-07 0.89 4800 1E-07
18
Value 120 1E-07 0.89
R:\Gouwen ting.mdl Value Run 120Simula 100 1E-07 0 0.89 Complex 4800 Data-Modu
Error N/A N/A R:\Gouw N/A ting.mdl N/A Run N/A Sim
Voorbeeld 3: Spanningscorrosie met ruis-meting Snelle vergelijking van spanningscorrosiegevoeligheid van twee aluminium-typen
AA6000 serie
AA7000 serie
Elektrolyt cel, NaCl-H2O2 oplossing
Bouten en moeren om vervorming ΔD op te leggen
AA6000 serie - Precipitaties intragranulair AA7000 serie - Precipitaties op korrelgrens 19
Voorbeeld 3: Spanningscorrosie aluminium, met ruis-meting AA6000 serie Onbelast
AA6000 serie Belast
AA7000 serie Onbelast
Conclusies: - Beide niet gevoelig - AA7000 passiveert sneller - Geen locale corrosie (pitting) Geen locale corrosiegedrag
Typische locale corrosie
AA7000 serie Belast 17 hr
20
Voorbeeld 4: SDM (versnelde test) organische primer op aluminium Vergelijkbare resultaten tussen Salt Spray Test (BLC) en SDM – Bij beide testen laat de geanodiseerde oxide-laag los.
Exposure side
BLC (45 dagen)
inbedmassa
SDM (6 uur)
anodiseerlaag
aluminium substraat
Bevestiging van zelfde corrosiemechanisme validatie
21
Voorbeeld 4: SDM (versnelde test) organische primer op aluminium Stepwise Dissolution Method (SDM) vs. Salt Spray Test (BLC) 7075-T6 clad CrO3 anodized - primed material
BLC na 45 dagen [%]
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 0,0
0,3 0,6 0,9 1,2 Opgebouwde lading na 6 uur SDM [C/cm2]
1,5 22
Conclusies Elektrochemische karakterisering: • Geeft absoluut inzicht in corrosieprocessen • Praktijk wordt versneld nagebootst • Geeft grondige onderbouwing in combinatie met metallografisch onderzoek • Corrosiegedrag is voorspelbaar, ook bij locale processen • Vaak sneller dan standaard testen • Betere materiaalkeuzes, betere keuze voor deklaag • Voorkomen van corrosie 23
Dank voor uw aandacht! Heeft u nog vragen?
Remco Hutten Consultant Materials Testing & Analyses ______________________ ECN - High Tech Campus Eindhoven T: +31 88 515 44 86 | M: +31 6 1097 7753 e-mail:
[email protected]
Welkom op stand 214 ECN Westerduinweg 3 1755 LE Petten The Netherlands T +31 88 515 49 49 F +31 88 515 44 80
Team materials & corrosion research: High Tech Campus 21 5656 AE Eindhoven The Netherlands
[email protected] www.ecn.nl/eee twitter.com/ecn
Gertjan Herder Jaap Hooijmans Martijn de Keijzer Erik Schuring Marcel Bregman Maria Montero Remco Hutten
ECN - Petten
ECN - Eindhoven 24
ECN Westerduinweg 3 1755 LE Petten T 088 515 4949 F 088 515 8338
[email protected] www.ecn.nl
Postbus 1 1755 LG Petten
