Ilmastollinen korroosio ja sen aikajänne

Ilmastolliseen korroosioon vaikuttavat ilman lämpötila, kosteus ja ilman epäpuh-taudet. Ympäristössä, jossa ihmiset päivittäin työskentelevät, on paljon tekstiili-pölyä. Tämä pöly ei sinällään aiheuta ongelmia, mutta se sitoo pinnalleen muita hiukkasia ilmasta ja nämä hiukkaset voivat aiheuttaa ongelmia. Teollisuusympäris-tössä pöly koostuu valtaosaltaan epäorgaanisista hiukkasista, joiden koostumuksesta riippuu niiden tuhoisuus elektroniikalle. Pahimpia ovat hiili-/nokihiukkaset ja ruos-tetta/metallipölyä sisältävät hiukkaset.

Ilmastolliseen korroosioon vaikuttaa ehkä eniten lämpötila kosteuden välityksellä, kun se vaikuttaa vallitseviin kosteusolosuhteisiin. Lämpötila sellaisenaan vaikut-taa kemiallisia reaktioita kiihdyttävästi Arrheniuksen yhtälön mukaisella tavalla.

Kosteuden myötävaikutuksella syntyvä korroosio voi edetä nopeasti jo lämpöti-loissa 0...30 °C. Lämpötilan muuttuessa ilman suhteellinen kosteus myös muut-tuu. Lämpötilan laskiessa suhteellinen kosteus nousee jossain vaiheessa yli 100 % RH ja pinnalle muodostuu vesikerros. Vesikerroksen muodostuttua kor-roosionopeuskin kasvaa tuhansia kertoja nopeammaksi lähtötilanteeseen nähden.

Normaaliolosuhteissa (RH < 50 %) vettä voi olla pinnalle adsorboituneena 1...3 molekyylin vahvuinen kerros ilman, että korroosioreaktiot käynnistyvät. Kun kerros kasvaa 20...50 molekyylin vahvuiseksi, korroosioreaktiot alkavat muodos-tua vallitseviksi. Lämpötilan jälleen noustessa vesi haihtuu pois ja korroosiokin lähes pysähtyy. Korroosioilmiön nopeutta ja vakavuutta arvioitaessa puhutaankin yleisesti pinnan kosteana oloajasta (TOW).

Veden tunkeutuminen orgaanisten kalvojen (maalien) läpi tapahtuu nopeasti (katso liite 1, kohdat 1.5 ja 1.6). Alkydimaalille on mitattu aikoja, jotka ovat muutamia minuutteja 20 µm kalvonpaksuudella [Feser & Stratmann 1991]. Epoksipinnoit-teilla tehdyissä upotuskokeissa [van Westing et al. 1994] on havaittu, että vesi muodostaa muutamassa tunnissa pysyvän kerroksen pinnoitteen alle ja pysyvä korroosiotuotekerros muodostuu noin sadan tunnin kuluessa. Muutamassa tunnissa muodostunut vesikerros myös kuivui suunnilleen samassa ajassa.

Maalikalvoon muutaman tunnin kuluessa kertynyt tasapainotilaa vastaava vesi-määrä ei vielä aiheuta haittoja, sillä tässä vaiheessa kalvo pystyy vielä korjaa-maan vauriot ja kuivukorjaa-maan ennalleen. Korroosion liikkeelle lähtemiseen sisältyy aina jonkin verran hitautta ts. korroosiotuotteita ei ala heti syntyä kalvon alle.

Sen jälkeen, kun korroosiotuotteita on alkanut syntyä, ei kalvo pysty enää palau-tumaan ennalleen. Analoginen tilanne em. ilmiöiden kanssa vallitsee juotteenes-topinnoitteen päälle jääneiden juoksutejäämien kanssa. Vasta, kun jäämät pääse-vät tunkeutumaan kalvon läpi (veden vaikutuksesta) kupariin asti, alkaa tapahtua korroosiota.

Vesiliuoksille altistetun metallin korrodoitumisaika vaihtelee liuoksen koostu-muksen ja altistetun metallin koostukoostu-muksen mukaan. Puhtaalla vedellä tarvitaan viikkoja tai kuukausia kestävä yhtämittainen altistus (esim. alumiini puhtaassa vedessä ei reagoi juuri mitenkään). Suolaa sisältävillä liuoksilla voi haitallisia korroosiotuotteita syntyä muutamassa tunnissa, jopa minuuteissa jännitteenalai-sissa ojännitteenalai-sissa. Tämä on pidettävä mielessä, kun suojataan ulko-olosuhteisiin tarkoi-tettuja laitekoteloita erilaisin maalein ja muin pinnoittein. Ulko-olosuhteissa vesi sisältää aina ilmasta peräisin olevia suoloja ja muita korrodoivia aineksia. Pahin on tilanne, jos vesi seisoo pinnoilla tai jää kapillaarirakoihin, koska tällöin hy-vinkin suojattu pinta voi korrodoitua.

Edelläolevan perusteella voidaan arvioida, että muutama tilapäinen kostuminen ei välttämättä vielä johda mihinkään, mutta useampi kastuminen kosteana olo-ajan kasvaessa aiheuttaa jo vaurioita.

Kuvat 3.1…3.3 esittävät suolan (tässä tavallinen ruokasuola tai Pan-suola) tai-pumusta kulkea pitkin pintoja ja rakoja. Kuvassa 3.1 on koejärjestelyn alkutilan-ne ja koeastian mitat. Kuvaan 3.2 on piirretty ajan funktiona suolan kulkeutumis-matka pitkin lasin sisä- ja ulkopintaa sekä suolaliuoksen pinnankorkeus alkuti-lanteeseen nähden. Kuvassa 3.3 on valokuvat suolan käyttäytymisestä kymmenen vuorokauden aikana kokeen aloittamisesta.

Kuvasarjan (kuva 3.3) mukaan suola nousee lasin sisäpintaa pitkin ja etenee lasin ulkopinnalle vajaan viiden vuorokauden kuluessa ja ulottuu seitsemän vuorokau-den kuluttua jo 10 mm reunan ulkopuolelle. Kuvasarjan tapauksessa suola on se-koitettu vesijohtoveteen noin 10 %:iseksi liuokseksi, joka on kaadettu lasiin, jos-sa liuos on jos-saanut olla sellaisenaan koskemattomana. Ympäristön lämpötila oli noin 24 ºC ja suhteellinen kosteus 40...50 %.

Liuoksen pinta kokeen alussa (vertailutaso)

28 mm

10 % suolaliuos

92 mm

Kuva 3.1. Suolakoejärjestely.

Kokeessa käytetyn Pan-suolan koostumus oli:

– kaliumkloridi 28 %,

– magnesiumsulfaatti 12 %, – lysiinihydrokloridi 2 %, – kaliumjodidi 0,0036 %, – natriumkloridi 57 % ja – piidioksidi 1 %

(paak-kuuntumisen estoaine).

Suolan kulkeutuminen tapahtuu seuraavasti. Kun suolaliuos on kaadettu lasiin, liuos nousee jonkin matkaa ylöspäin pitkin lasin sisäpintaa pintajännitysvoimien ansiosta. Lasin pinnalle nousseesta liuoksesta haihtuu vettä ilmaan, jolloin pinnalla olevan liuoksen suolapitoisuus kasvaa ja osa suolasta kiteytyy lasin pinnalle.

Kuivumista seuraa veden adsorboitumista suolakiteisiin sekä liuoksesta että ym-päröivästä ilmasta. Vettä kulkeutuu liuoksesta kiteytyneen suolan läpi kosteam-milta alueilta kuivemmille alueille ja se vie mukanaan suolaa.

Kuva 3.2. Suolan kulkeutuminen viinilasissa kokeen aikana.

-40 -30 -20 -10 0 1 2 3

0 24 48 58 69 72 87 96 108 120 131 144 154 168 192 216 240

Aika (h)

Etäisyys lähtötasosta (mm)

Suola sisäpinnalla Suola ulkopinnalla Nestepinnan asema

Suola noussut lasin reunalle Vesi haihtunut liuoksesta

Aika 87 h Aika 96 h Aika 120 h Aika 131 h

Aika 144 h Aika 154 h Aika 168 h Aika 192 h

Aika 202 h Aika 216 h Aika 227 h Aika 240 h

Kuva 3.3. Kuvasarja esittää suolan kulkeutumista viinilasin sisältä sen ulkopin-nalle. Kuvien alle on merkitty kuvanottohetket tunteina kokeen alusta lukien. Lasi on alussa ollut puolillaan (28 mm yläreunasta alaspäin) 10 %:sta suolavesiliuosta.

Kokeen lopussa kymmenen vuorokauden kuluttua vesi oli haihtunut ja suola on kulkeutunut lasin ulkopinnalle noin 17 mm reunasta alaspäin.

Etenemisrintamassa uudelleen kastunut suola etenee pintajännitysvoimien ansiosta jälleen eteenpäin pitkin lasin pintaa. Suolaliuoksen kuivumisvaiheet ja suolan kostumisvaiheet seuraavat toisiaan, jolloin liuoksesta kulkeutuva suola ja vesi synnyttävät lasin pinnalle aaltomaisia kiteytyneen suolan vyöhykkeitä (muistut-taa puun vuosirenkaita), jotka etenevät ympäristöön pinnanlaadun, suolan

kiteyty-misen ja kosteusolosuhteiden sanelemassa tahdissa ja suunnassa. Suolan kulkeu-tumiseen vaikuttavat seuraavat kaksi perusmekanismia:

– Suolaliuoksen ja lasin välinen pintajännitysvoima on pienempi kuin il-man ja lasin välinen pintajännitysvoima, jonka vuoksi nesteeseen kohdis-tuu suurempi voima pitkin lasin pintaa poispäin liuoksesta kuin nestee-seen päin suuntautuva voima. Ts. suolaliuoksen kastumiskulma on alle 90º lasin pinnalla ja liuos leviää lasin pinnalla myös ylöspäin (vrt. liite 1, kohta 3.4, kuva 3.4).

– Suola on hygroskooppista ja adsorboi itseensä vettä myös ilmasta (vrt.

liite 1, kohta 5 Korroosion kulkuun vaikuttavia tekijöitä).

Kuvattu suolan hygroskooppisuus ja taipumus edetä pitkin pintoja ja kapillaari-rakoja suhteellisen pitkiä matkoja muutamassa vuorokaudessa on syynä siihen, että se tunkeutuu nopeasti laitteiden sisälle ahtaistakin raoista sekä kertyy itse ja kerää vettä mekaanisiin rajapintoihin (ks. liite 1 kohta 3.5 Kapillaari-ilmiö).

Veden kertyminen tällä tavalla erilaisiin rajapintoihin, esim. kalvokytkimien ja elastisten EMC-tiivisteiden kosketusalueisiin aiheuttaa aina voimakasta korroosiota yhdessä muiden epäpuhtauksien kanssa. Kosteissa olosuhteissa suolaliuos voi kerätä vettä niin paljon että elektroniikan johdinkuvioihin syntyy oikosulkuja. Maalipinnoitteissa suola voi aiheuttaa muutamassa viikossa lankamaista korroosiota, jos pinta pääsee kostumaan (liite1, kohta 2.9 Lankamai-nen korroosio).