Wat wordt bedoelt met anodiseren van aluminium?

In de scheepsbouw en jachtbouw gebruikt men regelmatig de woorden anode en anodiseren. Het woord kathode heeft hier eveneens mee te maken. Het casco van schepen die vervaardigd zijn van staal wordt bijvoorbeeld beschermd doormiddel van zinkanodes. Deze anodes zijn van zink gemaakt. Omdat zink onedeler is dan staal (ijzer) wordt het zink eerder door corrosie aangetast dan het stalen casco. Er komt namelijk tijdens het proces dat kathodische bescherming heet een elektronenstroom op gang van de zinkanode naar de kathode (het casco). De kathode wordt dus beschermd. Anodiseren heeft ook met dit proces te maken.

Wat is anodiseren?
Anodiseren is een proces waarbij men een metaalsoort versneld laat oxideren. Het doel van dit proces het creëren van oxide. Bij sommige metaalsoorten zoals aluminium vormt de oxidehuid een ondoordringbare harde laag waardoor het onderliggende metaal wordt beschermd. De oxidehuid is moleculair verbonden met het basismetaal, daardoor hecht deze laag optimaal. Een gemiddelde anodiseerlaag heeft een dikte van circa 30 µm.

Hoe wordt anodiseren van aluminium uitgevoerd?
Tijdens het anodiseren wordt doormiddel van een elektrochemisch proces de buitenkant van aluminium omgezet in aluminiumoxide. Hiervoor wordt aluminium in een chemisch bad met verdund zwavelzuur en meestal ook een toevoeging van oxaalzuur geplaatst. Op het aluminium wordt elektrische gelijkstroom ingewerkt. Het aluminium wordt hierbij geschakeld als anode. Hierdoor ontstaan poreuze kristallen op het aluminium. Deze kristallen worden vervolgens afgedicht doormiddel van stoom of heet water.

Hoe ontstaat het roestproces?

Roest is ijzer dat verbonden is met zuurstof. Door de binding tussen ijzer en zuurstof in de aanwezigheid van water ontstaat geoxideerd ijzer. Roest heeft een roodbruine kleur en is  een mengsel dat bestaat uit ijzeroxide en hydroxylgroepen. De term roest is een term die vrij algemeen wordt gebruikt voor de corrosie van ijzerhoudende legeringen zoals bijvoorbeeld staal.

Het roestproces
Door roesten ontstaat er een laagje ijzeroxide rondom het ijzerhoudende product. Daarbij wordt een deel van het ijzerhoudende product opgeofferd. Hierdoor wordt het daadwerkelijke product steeds dunner terwijl de roest eromheen juist dikker wordt. IJzerroest heeft een groter volume dan het materiaal waaruit het is ontstaan. Dit zorgt er voor dat roest rondom het ijzerhoudende product druk uitoefent. Deze druk kan er voor zorgen dat bijvoorbeeld de roest rondom het betonstaal er voor zorgt dat het beton gaat barsten of zelfs af gaat breken. Dit wordt betonrot genoemd. Constructies die roestend ijzer bevatten worden uit elkaar gedrukt.

De ontwikkeling van roest op staal en andere ijzerhoudende producten zorgt er daarnaast voor dat het basisproduct dunner wordt. Hierdoor gaan de mechanische eigenschappen van het materiaal achteruit. Uiteindelijk wordt het materiaal zo dun dat het volledig opgevreten is door de roest. Het roestproces moet daarom worden tegengegaan als men het ijzerhoudende materiaal wil behouden.

Roestbestrijding
Het voorkomen van roest is niet eenvoudig. Bij het voorkomen van brand kan men bijvoorbeeld één van de belangrijke factoren die nodig is voor het ontstaat van brand wegnemen bijvoorbeeld zuurstof. Bij het bestrijden van roest is het wegnemen van zuurstof meestal niet voldoende. Het materiaal dat ijzer bevat kan op zichzelf al voor roest zorgen.

Staal is een legering van ijzer met een laag percentage koolstof. Staal wordt in de werktuigbouwkunde en metaaltechniek veel gebruikt voor uiteenlopende constructies en werktuigen. Staal wordt vervaardigd in hoogovens. Meestal wordt bij de bereiding van staal ook schroot toegevoegd. Het schroot kan bestaan uit delen van bijvoorbeeld autowakken. Schroot bestaat voornamelijk uit metaal maar kan daarnaast ook andere elementen bevatten zoals aluminium, koper, nikkel enzovoort.

Doordat schroot uit verschillende metalen bestaat zal ook het staal dat in hoogovens wordt geproduceerd uit verschillende metalen bestaan. Tussen de kristallen van twee metalen die van elkaar verschillen is altijd een spanningsverschil aanwezig. Dit spanningsverschil wordt ook wel een potentiaalverschil genoemd. Als er een geleidende vloeistof, zoals zure regen, de kristallen met elkaar in contact brengt ontstaat er een kleine elektrische stroom. Het ene metaal wordt tijdens dit proces de anode ten opzichte van het andere metaal, de kathode. Het metaal dat de anode vormt in dit proces in het minst edele metaal. De kathode is dus het meest edele metaal van de twee metalen die met elkaar in contact komen.

Het minst edele metaal zal door het contact met het edeler metaal langzamerhand gaan oplossen. Als zink bijvoorbeeld in contact komt met ijzer dan zal het zink oplossen en het ijzer worden beschermd. Dit is bijvoorbeeld het geval bij de kathodische bescherming van schepen.

Staal kan echter ook edeler metalen bevatten dan ijzer. Als de legering naast ijzer bijvoorbeeld ook koper bevat zal er een stroompje lopen van ijzer naar koper. In dat geval zal het ijzer langzamerhand oplossen ten opzichte van het edeler koper. De ijzerdeeltjes die opgelost zijn verbinden zich met zuurstof. Tijdens dit proces ontstaat roest en roest bevat altijd water. Het water in de corrosie zorgt er voor dat het roestproces in gang blijft.

Waarom heeft verven over roest geen zin?
Het verven of overschilderen van roest is zinloos. Onder de verflaag of lak is nog voldoende zuurstof en water aanwezig om het roestproces in gang te houden. De expansie van roest zorgt er daarnaast voor dat de verf of laklaag gaat barsten of knappen. Door de barst of scheur in de verflaag kan weer nieuw water naar binnen dringen. Dit water zorgt er voor dat het roestproces weer wordt versneld. Voordat men gaat verven of lakken zal men het staal goed moeten ontroesten. Dit kan doormiddel van schuren of stralen. Zodra dat klaar is zal men zo snel mogelijk een hechtende verflaag moeten aanbrengen op het staal. De ijzerdeeltjes in het staal kunnen zich namelijk ook zonder water aan zuurstof hechten waardoor staal ook in droge toestand kan gaan roesten.

Wat is kathodische bescherming (KB)?

Er zijn verschillende technische mogelijkheden om ferro metalen te beschermen tegen corrosie. Zo kan er gebruik worden gemaakt van verzinken, of van speciale coatings. Deze middelen zijn effectief maar voor de lange duur zijn ze niet altijd geschikt. Vooral wanneer ferro metalen regelmatig in contact komen met (zout) water en erosie doormiddel van zand en wind kan de buitenste coating langzamerhand afgebroken worden. Het gevolg is dat er roestplekken ontstaan die zich steeds verder uitbreiden. Hierdoor kan een metalen object ernstig worden beschadigd en langzamerhand afbreken. Dit moet worden voorkomen. Een methode waarmee metalen kunnen worden beschermd tegen corrosie is kathodische bescherming (KB).

Hoe werkt kathodische bescherming (KB)?
Kathodische bescherming wordt gebruikt ter bestrijding van corrosie. Hierbij wordt het potentiaal van object dat beschermd moet worden verlaagd. Door het verlagen van het potentiaal ontstaat er een vertraagde anodereactie tussen de ijzerionen en het ijzer (ferro). Hierdoor wordt het object dat beschermd moet worden een kathode. Een kathode is de pool waar elektronen naar binnen gaan. Een anode is de pool waar de elektronen uit komen. Een anode is daarmee een elektrode. Kathodische bescherming werkt preventief tegen corrosie. Kathodische bescherming is er in twee vormen: met opgedrukte spanning en doormiddel van een opofferingsanode. Deze twee vormen worden hieronder uitgelegd.

Kathodische bescherming doormiddel van opofferingsanode
Er wordt bij kathodische bescherming doormiddel van een opofferingsanode gebruik gemaakt van een onedeler metaal dat aan een edeler metaal wordt bevestigd. Opofferingsanoden worden ook wel  galvanische anoden genoemd. Zink kan hiervoor worden gebruikt want het is onedeler dan ijzer. Daarom worden zink of zink-aluminiumlegeringen onder andere op schepen bevestigd. Op landinstallaties wordt gebruik gemaakt magnesium- en zinklegeringen. Het elektronenpotentiaal verloopt van het hoogste naar de laagste metaalsoort. Zink dat bevestigd is aan ijzer geeft bij oxidatie elektronen af aan ijzer. Zink wordt hierdoor opgeofferd en oxideert weg en beschermd daardoor het ijzer waaraan het bevestigd is. Zink creëert in deze situatie beschermstroom  en is een opofferingsanode die haar elektroden afstaat aan de kathode ijzer. Daarom wordt gesproken over kathodische bescherming. Bij het gebruik van een opofferingsanode wordt geen externe stroombron of bekabeling toegepast omdat het onedele metaal zelf beschermstroom creëert.

Kathodische bescherming doormiddel van opgedrukte spanning
Kathodische bescherming met opgedrukte spanning wordt onder andere gebruikt bij wapeningstaal in beton. Dit wordt ook wel kathodische bescherming doormiddel van vreemdstroom genoemd. Dit is niet geheel juist omdat het gaat om een spanning die op het te beschermen metaal wordt gedrukt. Opgedrukte spanning is daardoor de juiste term voor deze vorm van kathodische bescherming. Het wapeningstaal wordt doormiddel van gelijkspanningstroom op een kunstmatige manier negatief gehouden. Hierdoor wordt het staal van een anode in een kathode verandert. Vreemdstroom wordt ook wel opgelegde stroom genoemd. Het potentiaal van wapeningstaal wordt verlaagd door een externe bron die gelijkspanningstroom op het te beschermen object legt. Deze externe bron kan bijvoorbeeld een gelijkrichter of accu zijn. De hoeveelheid gelijkspanningstroom die op het object wordt gezet is afhankelijk van wat het te beschermen object nodig heeft. Er kan een grotere stroomafgifte worden gerealiseerd dan bij kathodische bescherming doormiddel van een opofferingsanode. Hierdoor kunnen ook grotere oppervlaktes beschermd worden tegen corrosie.

Waarvoor kan kathodische bescherming worden gebruikt?
Verschillende producten kunnen kathodisch worden beschermd. Er wordt onder andere kathodische bescherming aangebracht bij damwanden, leidingen, opslagtanks en betonconstructies. Ook in de offshore wordt kathodische bescherming gebruikt voor bijvoorbeeld boorplatformen en schepen.