Metaalpassivering: IJzer en staal beschermen tegen corrosie

Chemische lagen die metaal beschermen tegen corrosie

Veel metalen zijn kwetsbaar voor corrosie wanneer blootgesteld aan lucht en water. Corrosie kan metaalspanning en onderdeelfalen veroorzaken, dus metallurgen zoeken manieren om het te bestrijden. Een dergelijke methode is metaalpassivering, een minder bekende methode van corrosiebescherming van een oppervlak die een dunne chemische laag als zegel gebruikt. Passivering kan natuurlijk optreden of aangemoedigd worden door productieprocessen.

Wat is corrosie?

Metaalcorrosie treedt op wanneer moleculen van een actieve metaallegering reageren in hun omgeving om electrochemisch stabieler te worden. Oxiden, hydroxiden en sulfiden zijn de hoofdc verbindingen van corrosie. Eenvoudige blootstelling kan tot de reactie leiden, zoals ijzer roesten in water en lucht. Electrochemische processen kunnen ook de reactie veroorzaken, zoals bij galvanische corrosie tussen nikkel en cadmium in een batterij.

Er zijn metalen die corrosie weerstaan. Edelen metalen zoals goud, zilver en platina zijn chemisch stabiel in veel condities. Edelen metalen zijn niet onkwetsbaar voor corrosie, maar het proces gebeurt langzamer, of met minder voorkomende moleculen. Bijvoorbeeld, zilvers dikke zwarte aanloop wordt meestal veroorzaakt door waterstofsulfide in plaats van zuurstof en water. Metallurgen controleren het actieve potentieel van metalen met behulp van de galvanische schaal of anodische index. Diegenen bovenaan zijn minder van nature geneigd tot corrosie.

"Actieve" metalen, of die dichter bij de onderkant van de schaal staan, zijn chemisch minder stabiel, en daarom meer geneigd om te reageren met andere elementen in de omgeving. Om dit te voorkomen, worden actieve of passieve processen gebruikt om corrosie te verminderen. Deze processen werken doorgaans door het metaal te "zegelen" met een bovenlaag, waardoor lucht en water niet het metaal eronder kunnen bereiken. De laag kan kunstmatig zijn: verf, poedercoating en olie zijn allemaal veelvoorkomende zeegelmiddelen. Als ze echter gekraapt worden, kruipt corrosie erin.

Een andere optie om het metaal te zegelen is chemisch, waarbij chemische reacties gebruikt worden in plaats van gefabriceerde materialen. Een chemisch proces is passivering.

Wat is passivering?

Passivering, over het algemeen geassocieerd met roestvrij staal, is een behandelingsmethode om het metaal te beschermen tegen doorroesten — het materiaal "passief" te maken voor de omringende omgeving. Passivering, misschien contra-intuitief, moedigt corrosie aan om op het oppervlak plaats te vinden, wat een dunne laag van een nieuw, niet-reactief chemisch product creëert. Deze bovenlaag blijft strak gebonden aan het metaal, creërend een natuurlijke zegel die de elementen blokkeert van het corroderen van opeenvolgende lagen van het metaal. Een metaal is passiverd wanneer elk oppervlak bedekt is met een strak gebonden laag van corrosie. Deze laag kan zich natuurlijk (passief) over de tijd opbouwen, maar fabricanten kunnen het ook actief induceren.

De geschiedenis van passivering

Passivering werd ontdekt door wetenschappers die electrochemische experimenten deden, maar ze herkenden de nut van het proces voor algemeen gebruik niet onmiddellijk. In 1790 observeerde chemicus James Keir dat een sterke azijnzuurbad ijzer niet corroderde. Hij noteerde dat wanneer dezelfde oplossing met water verdund werd, het ijzer onmiddellijk corrodeerde, creërend een borrelende oplossing van donkerbruin water. In 1836 specificerde de Zweedse chemicus Christian Friedrich Schönbein het experiment verder. Hij demonstreerde dat een stuk ijzer in zwak azijnzuur oplost en waterstof produceert, zoals Keir noteerde. Toch, als het ijzer eerst in sterke zuur gedopt werd, kon het het verdunde zuur weerstaan. De corrosieve elementen van water leken in de verte gehouden, tenminste voor een tijdje.

Michael Faraday, de Britse electrochemicus, was de eerste om te beschrijven waarom. Hij stelde aan Schönbein de hypothese dat een oxidhuid gecreëerd door het sterke zuur de passieve toestand zou kunnen veroorzaken. Als chemici en metallurgen het idee van een chemische "huid" verkenden, zochten ze technieken om passivering te fabriceren of te verbeteren, en legeringen die passieve zegels organisch zouden creëren.

Passieve oxidlagen

Naarmate metalen blootgesteld worden aan de omringende omgeving, zullen ze, indien niet geblokkeerd door verf of poedercoating, natuurlijk corroderen, creërend de huid, of zeellaag. De meeste passieve films zijn gemaakt van oxiden, combinaties van metaal en zuurstof, dus worden ze passieve oxidlagen genoemd.

Een van de grootste voordelen van passieve oxidlagen is dat wanneer ze zich natuurlijk voordoen, ze zich ook natuurlijk "zullen genezen" als het oppervlak van het metaal gekraapt of anderszins beschadigd is, aangezien de volgende laag moleculen dan zal binden met de omgevingselementen.

De effectiviteit van passieve oxidlagen hangt af van het type betrokken elementen. Niet alle oxidlagen zijn beschermend: Als de oxide porieus genoeg is voor zuurstof doorheen te laten, dan wordt geen zegel gevormd, en het metaal eronder zal verder corroderen. Bijvoorbeeld, magnesiumoxide vormt een laag met hoge oppervlakteporositeit die corrosie niet stopt. Zuurstofmoleculen stromen er nog steeds doorheen en reageren met het magnesium eronder.

Evenzo spelen de elementen in de omringende omgeving een rol. Roestvrij staal kan bijvoorbeeld uitgedaagd worden door zout of ijzerafzettingen. Als de algehele chemie van het oppervlak niet meer natuurlijk passiveert, stelt roest in.

Geforceerde passivering

Voor sommige legeringen kan natuurlijke passivering lang duren; voor anderen kan het ongelijkmatig ontwikkelen, met variaties in de korrel van het metaal of in de aanwezigheid van oppervlakteafzettingen. Metallurgen creëerden actieve passiveringsmethoden om het proces te versnellen en te standaardiseren om onmiddellijk bruikbare producten te creëren.

Geweren "bluing" was een vroeg voorbeeld van geforceerde passivering door chemische productiemiddelen. Een van de oxiden van ijzer is magnetiet, een zwarte oxide (Fe3O4), en deze oxide vlokt niet zoals roest (Fe3O3). Verschillende chemische processen kunnen gebruikt worden om deze zwarte oxiden te creëren met behulp van warmte en bijtende oplossingen. Hoewel bluing beschermt tegen corrosie, "geneest" een beschadigde laag niet in normale condities. Bluing is dus een gefabriceerd zeegelmiddel dat onderhoud en zorg vereist.

Vandaag de dag hebben veelvoorkomende actieve passiveringsbehandelingen verschillende stappen:

• Reinigen van het item om oppervlakte-olie en onzuiverheden te verwijderen. Er mogen geen gebieden zijn afgedicht van het zuurbad door een externe coating.
• Afspoelen van het item van alle sporen van de zuuroplossing, meenemend eventueel overgebleven vrij ijzer.
• Het item wordt onder condities geplaatst die oxidatie bevorderen. Condities omvatten een combinatie van verhoogde temperatuur en vochtigheid, en gebruik van roestbevorderende middelen zoals zoutspray, kobber(II)sulfaat, of kaliumferricyanide.

Roestvrij staal en andere zelf-passiverende legeringen

Roestvrij staal is een zacht metaal dat corrosieweerstand heeft door natuurlijke passivering. Sinds de uitvinding in 1913, zijn veel industrieën gaan vertrouwen op het metaal. Echter, het is niet gegarandeerd roestvrij.

Roestvrij staal, zoals andere stalen, bestaat hoofdzakelijk uit ijzer en koolstof. De revolutionaire toevoeging aan de legering is chroom. Chroom, blootgesteld aan lucht, vormt snel een passieve oxidelaag die het ijzer afdicht en beschermt. Verschillende kwaliteiten van roestvrij staal bevatten verschillende ondersteunende metalen: molybdeen, silicium, en andere bestanddelen leveren allemaal passieve ondersteuning voor verschillende toepassingen. Sommige kwaliteiten zijn superieur in warmtebeheer, anderen in weerstand tegen corrosie door zout: de chemische samenstelling van de legering verandert hoe het zich gedraagt onder verschillende condities. Ijzerafzettingen, warmte, contact met andere metalen, zout, en zuren kunnen allemaal de oxidelaag uitdagen.

Aluminium is een ander metaal dat natuurlijk passiveert. Aluminiumoxide vormt op de meeste (hoewel niet alle) aluminiumlegeringen bij blootstelling aan lucht, wat het oppervlak zelfbeschermend maakt. Aluminiumoxide kan uitgedaagd worden door zout, electrochemische stress, of opgesloten vocht. Zowel met roestvrij staal als aluminium, worden productieprocessen gebruikt om de creatie van passieve lagen van een grotere dikte of uniformiteit te ondersteunen dan natuurlijk zou kunnen gebeuren.

Passiveringsstandaarden voor roestvrij staal en aluminium

Roestvrij staal en aluminium zijn beide zelf-passiverende materialen, maar ze zijn niet onkwetsbaar voor corrosie. Onregelmatigheden in korrel, gecreëerd door productie of warmtebehandelingen, kunnen zwaktes creëren. Oppervlakteafzettingen van olie of andere chemicaliën kunnen ook de passieve film onderbreken. Om de kwaliteit van roestvrij staal en aluminium kwaliteiten te garanderen, zijn er nu standaard passiveringsprocessen en tests.

ASTM specificaties A380 en A967 stellen standaarden en kwaliteitstestprocedures in voor roestvrij staal passivering met azijnzuur, citroenzuur, of electrische middelen.

Chroom wordt soms gebruikt om andere materialen te passiveren, maar vaak via toepassing in plaats van ingebouwd in de legering. Een proces genaamd chroomconversie wordt gebruikt voor aluminium en andere metalen, zoals zink en nikkel. In deze techniek wordt een chroomgel op het metaaloppervlak aangebracht. Het chemische bindt aan het oppervlak van het metaal, creërend een passieve laag die een hoge corrosieweerstand demonstreert. Een kraak in een chroomconversie passivering zal een zelfhelend proces ondergaan. Chroom rondom de kraak beweegt om te binden en de passiveringslaag opnieuw te creëren. Echter, de kraak moet klein genoeg zijn dat dit mogelijk is met het omringende chroom.

Beitsen (Pickling) vs. passivering van roestvrij staal

De passivering van staal is een proces dat een zuurbad gebruikt om een oxidelaag achter te laten. Beitsen (pickling) is een andere zuurbadbehandeling, maar heeft het tegenovergestelde doel: beitsen gebruikt een zuur om oxiden van het oppervlak van het metaal te reinigen.

Wanneer oxiden het oppervlak van een metaal bedekken, wordt het item lastiger te bewerken. Oxiden veroorzaken grotere spanning op snijgereedschappen en kunnen pogingen om het oppervlak te zegelen met verf of poedercoating verslaan. Beitsen verwijdert alle oxiden, inclusief die als passieve laag werken. Staal en ijzer worden meestal gebeitst.

In de productie van een metaalonderdeel, kan het onderdeel gebeitst, bewerkt, en dan passiverd worden.

Elektropolijsten van roestvrij staal en andere metalen

Elektropolijsten is een metaalafwerkingsstap die gratvrij maakt en gladstrijkt, wat een glimmende schone achterlaat. Het kan op veel metalen gebruikt worden, inclusief die niet aangemoedigd worden om te passiveren, zoals koper. Op passiverend metaal kan een glad oppervlak ongebroken, veerkrachtige passieve lagen creëren.

Een te elektropolijsten object krijgt een positieve lading en wordt in een elektrolytbad gedoopt. Omringende kathoden trekken de oppervlaktemoleculen van het object af, het afschaven van de bovenlaag. Scherpe uitstekingen worden het eerst weggetrokken. Op zowel macroscopisch als microscopisch niveau heeft geëlektropolijst metaal weinig onregelmatigheden of spleten.

Bij het elektropolijsten van roestvrij staal, wordt ijzer preferentieel verwijderd, wat meer chroom aan het oppervlak achterlaat. Een glad, ononderbroken oppervlak vrij van ijzer moedigt natuurlijk een solide passiveringslaag op roestvrij staal aan.

Wanneer passivering faalt

Passivering is niet altijd de ideale oplossing; potentiële problemen spannen een breed scala aan variabelen. Bepaalde typen metalen kunnen niet passiveren, omdat het metaal vlokt als het corrodeert. Als een metaal structureel in staat is om te passiveren, kunnen dingen nog misgaan tijdens het zuurbadproces. Aan de andere kant, zelfs een perfect gepassiverd metaal kan niet bruikbaar zijn in bepaalde industrieën — de chemie kan problemen veroorzaken in electrochemische toepassingen.

Waarom vlokt sommige metaal als het corrodeert?

Metaaloxiden kunnen een groter kristalstructuur hebben dan hun constitutieve metaalmoleculen. Bijvoorbeeld, ijzeroxide (III), het rode corrosie-afvalstof beter bekend als roest, heeft een grotere structuur, en daarmee groter oppervlaktegebied, dan het elementaire ijzer dat het produceert. Dit grotere oppervlaktegebied forceert de oxide om op te heffen van het oppervlak van het metaal eronder, wat bubbeling en vlokken veroorzaakt. Scheiding van de oxide van het metaal blootstelt de volgende laag aan lucht en vocht, en de cyclus gaat door, het oppervlak opetend.

In situaties waar oxiden, hydroxiden of sulfiden een groter oppervlaktegebied hebben dan het metaal waaruit ze ontstaan, vormt zich geen passiveringslaag.

Passivering Flash Aanvallen

Soms zal een fabrikant ontdekken dat in een batch passiverende items, er een of meer zwart worden en beginnen te etsen zelfs in een sterke azijnzuurbad. Deze actieve toestand wordt "flash attack" genoemd. Het kan redelijk verwarrend zijn, aangezien het soms sommige items aanvalt maar anderen in dezelfde dip-mand met rust laat.

Redenen voor flash attack hebben te maken met de consistentie van de chemicaliën betrokken bij het maken van de passieve film. Als het azijnzuurbad lang in gebruik is geweest, kan het zouten of water geaccumeerd hebben. De onderdelen zelf zijn vaak een probleem: er kan slijpolie op machine-onderdelen zitten, of warmtebehandelingen of warmtecontrole tijdens bewerking hebben de moleculaire structuur van het onderdeel ongelijkmatig gewijzigd. Er kunnen ook insluitsels of inconsistenties binnen de legering zelf zijn.

Passivering vermijden

Er zijn momenten waarop passivering problemen kan veroorzaken voor het juiste functioneren van een metaalonderdeel.

Electrochemische behandelingen vereisen vaak metaal kathoden en anoden om een elektrische stroom door een oplossing te laten lopen. Deze systemen kunnen de vorming van oxiden bevorderen die klitten aan de buitenkant van de kathoden. Naarmate de kathoden vervuild raken met de oxiden, wordt het systeem minder effectief.

In deze systemen is passivering een probleem. Wisselen van polariteit lost het probleem soms op. Tegengestelde pulsen van elektriciteit laten de oxiden van de kathoden afvallen. De oxideslib of slak kan afvallen en niet interfereren met de electrochemische activiteit van het proces.

Passiveringslagen om te zegelen en te beschermen

Veel metalen reageren met de omgeving producerend oxiden, hydroxiden of sulfiden. Deze producten van corrosie ontstaan op vergelijkbare manieren maar hebben verschillende eigenschappen.

Zilveraanloop, langzaam ontstaand als zilver combineert met sulfiden in de lucht, werkt als een passieve laag. Het verduistert het oppervlak van het metaal, en wordt vaak weggepolijst. In vergelijking, koper zijn groene patina, of verdigris, is vaak een esthetische prijs voor de diepte en reeks groene kleur die het produceert. Verdigris is een mengsel van carbonaten, sulfiden, sulfaten en chloriden, gecreëerd door koper die reageert op zure regen of koolstofdioxiden. Roest, de meest voorkomende ijzeroxide, produceert oranje of baksteenrode pigment. In tegenstelling tot verdigris, moet het zorgvuldig gecontroleerd worden zodat het bubbelende oppervlak het staal eronder niet laat verroesten.

Passiveringslagen zegelen en beschermen een metaalobject tegen verdere oxidatie. Met chroom-gebaseerde passieve lagen, zoals op roestvrij staal, is deze film vaak dun genoeg dat het het uiterlijk of de functie van het metaal niet verandert. Dunne passivering verandert het metaal alleen in heel specifieke instellingen — zoals lassen, bewerken, of in electrochemische systemen. Het grootste voordeel dat zelf-passiverende metalen bieden is de capaciteit om "zelf te genezen". Voor maximale corrosiebescherming, combineer een zelf-passiverend metaal met een toegepast zeegelmiddel zoals olie, poedercoating of verf.