Teräs on aikamme käytetyin materiaali. Valitettavasti teräksen merkittävä haittapuoli on suuri korroosionopeus. Siksi teräsesineiden ja -rakenteiden suojaamisella on suuri taloudellinen merkitys.
Paras korroosiosuoja saadaan aikaan sinkin avulla. Sinkkipinnoite suojaa terästä kahdella tavalla:
• Sulkuvaikutuksella eli estämällä hapen ja kosteuden pääsyn teräspinnalle.
• Katodisella suojausvaikutuksella naarmuissa, iskujäljissä, leikkausreunoissa yms.
Sinkki on epäjalo metalli, jolla on suuri korroosiotaipumus. Korroosionopeus pysyy kuitenkin matalana useimmissa ympäristöissä, mikä johtuu sinkin pintaan nopeasti muodostuvista korroosiotuotteista, jotka puolestaan tarjoavat suojan korroosion etenemistä vastaan.
Korroosio ilmassa
Kun kuumasinkitty esine nostetaan sinkkikylvystä, yhtyy ilman happi välittömästi sinkkipinnoitteeseen muodostaen sinkkioksidia. Prosessi aiheutuu ilman vesi- ja hiilidioksidipitoisuuden vaikutuksesta, ja sen tuloksena muodostuu emäksisiä sinkkikarbonaatteja. Nämä muodostavat tiiviin kerroksen, jolla on erinomainen kiinnipysyvyys. Koska karbonaattien vesiliukoisuus on hyvin alhainen, ne muodostavat hyvän suojan sinkitylle pinnalle. Ilma sisältää kuitenkin myös rikkidioksideja, jotka muuttavat emäksisen sinkkikarbonaatin helpommin liukeneviksi sinkkisulfidiksi ja -sulfaatiksi. Ilman rikkidioksidipitoisuus on kuitenkin laskenut voimakkaasti viime vuosina, minkä ansiosta myös sinkin korroosio on vähentynyt.
Ilman rikkidioksidipitoisuus vaikuttaa siis korroosionopeuteen. Korroosiota tapahtuu siksi enemmän teollisuusilmastossa kuin kaupunki- ja maaseutuympäristössä. Altistumiskulmalla on merkitystä kaikissa ympäristöissä. Korroosio on nopeampaa vaakatasoisella kuin pystysuoralla pinnalla. Suojassa olevat pinnat syöpyvät vähemmän kuin suojattomat.
Sinkkipintaan, joka altistuu ilman vaikutukselle joitakin kuukausia, syntyy vaaleanharmaa mattapinta (kuva 1). Meriympäristössä sinkin korroosioon vaikuttaa ilman suolapitoisuus. Meri-ilmassa on kuitenkin myös pieninä pitoisuuksina magnesiumsuoloja, joilla on hyvä passivoiva vaikutus, joka hillitsee korroosiota. Lisäksi suolapitoisuus vähenee nopeasti sisämaahan päin mentäessä.
Sinkin korroosioon vaikuttavat siis monet tekijät. Siksi korroosionopeudelle ei ole mahdollista antaa yleispätevää kaavaa. Sinkkipinnoitteita on kuitenkin käytetty kauan suojaamaan terästä ruostumiselta mitä vaihtelevimmissa olosuhteissa, minkä ansiosta sinkin korroosiosta ja korroosionopeudesta eri ympäristöissä tiedetään paljon. Nykyään esimerkiksi tunnetaan sinkkipinnoitteita, jotka ovat olleet altistuneena yli sata vuotta.
Korroosio nesteissä
Kuten ilmassa tapahtuvassa korroosiossa myös nesteeseen asetettu sinkkipinta peittyy yleensä korroosiotuotteista muodostuvalla suojakerroksella. Nesteet voivat olla happamia tai emäksisiä ja sisältää liuenneena tai kiinteinä hiukkasina olevia syövyttäviä aineita. Nesteen virtausnopeudella ja lämpötilalla on myös suuri merkitys. Nämä tekijät yhdessä aiheuttavat sen, että suojakerroksen koostumus voi vaihdella suuresti tai että sitä ei muodostu ollenkaan.
Sähkökemiallisella korroosiolla, jonka merkitys ilmassa on toisarvoinen, on suuri merkitys nesteissä. Sähkökemiallinen korroosio riippuu nesteen sähkönjohtokyvystä. Siitä puolestaan riippuu, miten pienille tai suurille alueille sinkin suojavaikutus ulottuu.
Suurin merkitys on nesteen pH-arvolla. Sinkin korroosionopeus on yleensä suhteellisen alhainen ja vakaa, kun pH on 5,5–12,5 ja lämpötila 0–20 °C.
Kovat vedet, jotka sisältävät kalkkia ja magnesiumia, ovat vain vähän syövyttäviä. Nämä aineet muodostavat yhdessä hiilihapon kanssa sinkkipinnalle niukkaliukoisia karbonaatteja ja saavat aikaan pysyvän suojakerroksen, joka estää korroosion jatkumisen.
Pehmeät vedet syövyttävät usein sinkkiä, koska niistä puuttuu suoloja, minkä vuoksi suojakerrosta ei muodostu. Poikkeustapauksissa sinkin ja teräksen välillä voi tapahtua myös potentiaalivaihdos, niin että teräksestä tulee sähköparin anodi (liukeneva napa). Tällaisissa tapauksissa on olemassa pistekorroosion vaara. Hiilihappo, sulfaatit ja kloridit vastustavat potentiaalivaihdosta, joten se ei tapahdu esimerkiksi merivedessä. Erittäin puhtaassa vedessä ilmiö voi sen sijaan esiintyä.
Eräiden Suomen, Norjan ja Ruotsin vesistöjen ja järvien vedet ovat syövyttäviä pehmeitä vesiä.
Jos veden virtausnopeus on yli 0,5 m/s, suojakerroksen muodostuminen sinkkipinnalle estyy ja korroosio nopeutuu.
Veden lämpötila vaikuttaa huomattavasti korroosionopeuteen. Yli 55 °C:ssa suojakerroksia muodostavien korroosiotuotteiden rakenteista tulee raemaisia ja niiden kiinnipysyvyys sinkkipinnassa heikkenee. Ne irtoavat helposti, jolloin sinkin pinta paljastuu ja syöpyy edelleen.
Korroosionopeus saavuttaa huippunsa n. 70 °C:ssa, josta se laskee siten, että 100 °C:ssa se on samansuuruinen kuin 50 °C:ssa.
Kuten tästä ilmenee, korroosioprosessin kulku vedessä on hyvin monimutkainen ja yleispäteviä ohjeita on vaikea antaa. Käytännön kokemusta on kuitenkin olemassa, ja kuvassa 3 onkin esitetty ohjearvoja joillekin vesityypeille. Lisätietoa on saatavilla kirjallisuusviitteistä.
Valkoruoste
Joskus sinkityillä pinnoilla esiintyy valkoista, jauhemaista, paksuhkoa kerrostumaa, jota kutsutaan valkoruosteeksi tai sinkkihomeeksi (kuva 4). Valkoruostetta esiintyy, jos sinkityt tavarat joutuvat alttiiksi kondenssi- tai sadevedelle, joka jää makaamaan esineiden pinnalle. Näin voi käydä paikoissa, joihin syntyy kapeita rakoja, esim. toisiinsa koskettavien pintojen tai tiiviisti ladottujen levyjen välissä. Valkoruostetta syntyy hyvin harvoin sellaisille sinkkipinnoille, joilla on hyvä ilmanvaihto tai joille korroosiotuotteet ovat jo muodostaneet normaalin suojakerroksen. Syöpyminen lakkaa, kun pinta pääsee vapaasti kosketukseen ilman kanssa. Ilma kuluttaa kappaleessa olevan valkoruosteen vähitellen pois, jolloin sinkkipinta saa takaisin kuumasinkityn pinnan tavanomaisen ulkonäön.
Koska valkoruosteen tilavuus on noin 500 kertaa suurempi kuin sinkin, josta se on muodostunut, korroosio voi näyttää vaaralliselta. Useimmiten valkoruosteen aiheuttamalla syöpymällä on vain vähäinen tai olematon vaikutus korroosiosuojauksen kestoikään. Hyvin ohuissa pinnoitteissa, esim. sähkösinkityissä esineissä, voi voimakas syöpymä kuitenkin olla haitallinen.
Valkoruosteen syntyminen voidaan parhaiten välttää estämällä sinkkikylvystä tulevien pintojen pääsy kosketukseen kondenssi- tai sadeveden kanssa varastoinnin tai
kuljetuksen aikana. Valkoruosteongelma voidaan välttää varastoimalla tavarat muutamaksi päiväksi katoksen alle tai asettamalla ne niin, että vesi valuu pois ja ilma vaihtuu kaikilla sivuilla.
Jo muodostunut valkoruoste voidaan poistaa kohtuullisella mekaanisella tai kemiallisella käsittelyllä. Kuumasinkitysstandardin mukaan valkoruoste ei ole hyväksyttävä reklamaatioperuste.
Korroosio maaperässä
Korroosio-olosuhteet maaperässä ovat hyvin monimutkaiset ja vaihtelut voivat olla hyvin suuria jopa toisiaan lähellä olevissa paikoissa. Suomen maaperä ei yleensä ole kovin syövyttävää (kuva 6). Sinkin keskimääräinen syöpyminen on 5 µm vuodessa. Erittäin syövyttävät maalajit ovat harvinaisia.
Sähkökemiallinen korroosio
Jos kaksi eri metallia tai metalliseosta ovat yhteen liitettyinä sähköä johtavassa liuoksessa, elektrolyysissä muodostuu galvaaninen pari. Metallien potentiaalit kyseessä olevassa elektrolyytissä ratkaisevat, kummasta tulee anodi ja kummasta katodi.
Merivedessä, joka usein vastaa käytännön olosuhteita, asettuvat eri metallit ja metalliseokset taulukon 7 mukaiseen järjestykseen sähkökemiallisessa jännitesarjassa.
Jos teräs yhdistetään kupariin tai messinkiin, tulee teräksestä sähköparin anodi, joka syöpyy. Jos teräs sitä vastoin kytketään kadmiumiin, alumiiniin, sinkkiin tai magnesiumiin, tulee teräksestä katodi, joka ei syövy.
Sinkityksen katodinen suojauskyky
Kuumasinkityssä teräksessä on sinkki tiukasti kiinni teräksessä. Jos sinkkipinnoite vaurioituu, syntyy kosteuden läsnäollessa galvaaninen pari. Elektrolyytti voi olla kondenssivettä tai sadevettä. Tässä parissa sinkistä tulee anodi eli liukeneva napa, joka syöpyy. Paljaasta teräksestä tulee katodi, joka ei syövy.
Alkuvaiheessa voidaan usein nähdä heikkoa ruosteenmuodostusta paljaalla teräspinnalla, mutta jälkeenpäin syntyy vaaleanharmaita kohtia, jotka vähitellen peittävät koko vioittuneen alueen. Sinkkipinnoite syöpyy ja niukkaliukoiset sinkkiyhdisteet kulkeutuvat sähköparin katodille, jossa ne suojaavat terästä korroosiolta. Tätä kutsutaan usein ”itsestään korjautumiseksi”, mutta se on harhaanjohtava sanonta, koska sinkkipinnoite ei palaudu ennalleen.
Jos sinkitty kappale on vedessä, eivät sinkin korroosiotuotteet aina saostu vaurioituneeseen kohtaan, vaan huuhtoutuvat pois. Näin käy etenkin virtaavassa vedessä. Suojausvaikutus säilyy kuitenkin, ellei paljas teräspinta ole liian suuri. Terästä suojaa sähkövirta, joka kehittyy galvaanisessa parissa sinkin syöpyessä.
Katodisen suojan ansiosta ei ruoste pääse ”ryömimään” pinnoitteen alle vauriotapauksissa samalla tavoin kuin maali- tai sellaisissa pinnoitteissa, jotka ovat jalompia kuin teräs (kuva 8).
Terästen sinkkipinnoitteet ovat siten ainutlaatuisia siinä suhteessa, että suurehkotkaan viat pinnoitteessa eivät merkittävästi huononna ruosteenestokykyä. Katodisen suojan laajuus on kokonaan riippuvainen siitä, mikä elektrolyytti aikaansaa parin. Normaalissa ilmastorasituksessa suojavaikutus on joitakin millimetrejä. Merivedessä sitä vastoin suojavaikutus ulottuu huomattavasti kauemmaksi.
Sinkkipinnoitteet kontaktissa muiden metallien kanssa
Kuten kuvasta 8 ilmenee, sinkki on epäjalompi kuin useimmat käyttömetallit, joten sinkki suojaa niitä korroosiolta. Tällaisia yhdistelmiä on kuitenkin periaatteessa vältettävä, ja eräs hyvä keino on käyttää sähköä johtamattomia välikerroksia, jotka on tehty muovista tai kumista.
Ilmassa tai melko kuivissa ympäristöissä alumiinia ja ruostumattomia teräksiä voidaan usein yhdistää suoraan sinkittyyn materialiin ilman, että syntyy merkittävää korroosiota. Varovaisuutta on kuitenkin noudatettava, jotta katodipinta ei muodostu liian suureksi anodipintaan nähden. Vedessä täytyy aina käyttää eristävää välikerrosta.
Kupari ja kupariseokset ovat sähköisesti aktiivisempia. Lisäksi esiintyy kupari-ionien liukenemista, mikä aiheuttaa merkittävää syöpymistä. Siksi ”värillisiä” metalleja ei koskaan saa asettaa kontaktiin sinkityn teräksen kanssa ilman välikerrosta.
Kuumasinkittyjen esineiden pakkaus ja kuljetus
Vaikka kuumasinkityt rakenteet kestävät kovaakin käsittelyä, on niitä toimitettaessa ja varastoitaessa syytä käsitellä järkevästi. Yksinkertaiset pakkaukset ja pitkien esineiden niputus eivät ainoastaan suojaa mekaanisilta vaurioilta, vaan ne ovat myös kuljetusteknisesti edullisia. Niput on tehtävä niin, että vältetään valkoruosteen muodostuminen. Esimerkiksi välipuiden avulla saadaan estettyä tällaiset reaktiot.