Metaalpassivering:voorkomen dat ijzer en staal actief worden

Chemische lagen die metaal beschermen tegen corrosie

Veel metalen zijn kwetsbaar voor corrosie wanneer ze worden blootgesteld aan lucht en water. Corrosie kan metaalspanningen en defecten aan onderdelen veroorzaken, dus metallurgen zoeken naar manieren om dit te verslaan. Een dergelijke methode is metaalpassivering, een minder bekende methode voor het corrosiebestendig maken van een oppervlak waarbij een dunne chemische laag als afdichting wordt gebruikt. Passivering kan van nature voorkomen of worden aangemoedigd door productieprocessen.

Wat is corrosie?

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

Er zijn metalen die bestand zijn tegen corrosie. Edelmetalen zoals goud, zilver en platina zijn onder veel omstandigheden chemisch stabiel. Edelmetalen zijn niet ongevoelig voor corrosie, maar het proces verloopt langzaam of met minder gebruikelijke moleculen. De dikke zwarte aanslag van zilver wordt bijvoorbeeld 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. Die aan de bovenkant zijn minder gevoelig voor corrosie.

"Actieve" metalen, of die dichter bij de onderkant van de schaal, 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 over het algemeen door het metaal "af te sluiten" met een toplaag, waardoor wordt voorkomen dat lucht en water het onderliggende metaal bereiken. De laag kan door de mens gemaakt zijn:verf, poedercoating en olie zijn allemaal gebruikelijke afdichtingsmiddelen. Als ze echter bekrast zijn, sluipt er corrosie in.

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

Wat is passiveren?

Passiveren, over het algemeen geassocieerd met roestvrij staal, is een behandelingsmethode om het metaal te beschermen tegen doorroesten, waardoor het materiaal "passief" wordt voor de omgeving. Passivering, misschien contra-intuïtief, stimuleert het optreden van corrosie op het oppervlak, waardoor een dunne laag van een nieuwe, niet-reactieve chemische stof ontstaat. Deze toplaag blijft stevig aan het metaal gebonden, waardoor een natuurlijke afdichting ontstaat die voorkomt dat de elementen de volgende lagen van het metaal aantasten. Een metaal wordt gepassiveerd wanneer elk oppervlak is bedekt met een strak gebonden corrosielaag. Deze laag kan in de loop van de tijd van nature (passief) worden opgebouwd, maar fabrikanten kunnen deze ook actief induceren.

De geschiedenis van passiveren

Passivering werd ontdekt door wetenschappers die elektrochemische experimenten deden, maar ze erkenden niet meteen het nut van het proces voor algemeen gebruik. In 1790 constateerde chemicus James Keir dat een sterk salpeterzuurbad ijzer niet corrodeerde. Hij merkte op dat wanneer dezelfde oplossing met water werd verdund, het ijzer onmiddellijk corrodeerde, waardoor een borrelende oplossing van donkerbruin water ontstond. In 1836 specificeerde de Zwitserse chemicus Christian Friedrich Schönbein het experiment verder. Hij toonde aan dat een stuk ijzer ondergedompeld in zwak salpeterzuur oplost en waterstof produceert, zoals Keir opmerkte. Maar als het ijzer eerst in sterk zuur werd gedompeld, zou het het verdunde zuur kunnen weerstaan. De corrosieve elementen van water leken op afstand te worden gehouden, althans voor een tijdje.

Michael Faraday, de Britse elektrochemicus, was de eerste die beschreef waarom. Hij veronderstelde aan Schönbein dat een oxidehuid gecreëerd door het sterke zuur de passieve toestand zou kunnen veroorzaken. Terwijl chemici en metallurgen het idee van een chemische 'huid' verkenden, zochten ze technieken om passivering te vervaardigen of te verbeteren, en legeringen die op organische wijze passieve afdichtingen zouden creëren.

Passieve oxidelagen

Omdat metalen worden blootgesteld aan de omgeving, zullen ze, als ze niet worden geblokkeerd door verf of poedercoating, op natuurlijke wijze corroderen, waardoor de huid of de afdichtingslaag ontstaat. De meeste passieve films zijn gemaakt van oxiden, combinaties van metaal en zuurstof, dus passieve oxidelagen genoemd.

Een van de grootste voordelen van passieve oxidelagen is dat wanneer ze van nature ontstaan, ze ook van nature zullen "genezen" als het oppervlak van het metaal wordt bekrast of anderszins wordt beschadigd, omdat de volgende laag moleculen zich dan zal hechten aan de omgevingselementen.

De effectiviteit van passieve oxidelagen hangt af van het soort elementen dat erbij betrokken is. Niet alle oxidelagen zijn beschermend:als het oxide poreus genoeg is om zuurstof door te laten, wordt er geen afdichting gevormd en zal het onderliggende metaal blijven corroderen. Magnesiumoxide vormt bijvoorbeeld een laag met een hoge oppervlakteporositeit die corrosie niet stopt. Zuurstofmoleculen stromen nog steeds door en reageren met het magnesium eronder.

Evenzo zijn de elementen in de omgeving ook van belang. Roestvast staal kan bijvoorbeeld worden aangetast door zout- of ijzerafzettingen. Als de algehele chemie van het oppervlak niet langer op natuurlijke wijze passiveert, treedt roest op.

Gedwongen passivering

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

Wapen "blauwen" was een vroeg voorbeeld van gedwongen passivering door middel van chemische productiemiddelen. Een van de oxiden van ijzer is magnetiet, een zwart oxide (Fe3O4), en dit oxide schilfert niet zoals roest (Fe3O3) dat doet. Er kunnen verschillende chemische processen worden gebruikt om deze zwarte oxiden te maken met behulp van warmte en bijtende oplossingen. Hoewel blauwing wel beschermt tegen corrosie, "geneest" een beschadigde laag onder normale omstandigheden niet. Blueing is daarom een ​​gefabriceerde kit die onderhoud en zorg nodig heeft.

Tegenwoordig hebben algemene actieve passiveringsbehandelingen verschillende stappen:

• Het item reinigen om oppervlakteolie en onzuiverheden te verwijderen. Er mogen geen delen van het zuurbad worden afgesloten door een externe coating.
• Passiveren in baden van salpeterzuur of citroenzuur, of door middel van een elektrochemisch proces. Voor roestvrij staal verwijdert deze stap alle vrije ijzerafzettingen die zouden verhinderen dat het roestvrij staal een vaste passieve film vormt. Op microscopisch niveau zou een afzetting van vrij ijzer voorkomen dat de passieve chroomoxidelaag een continue afdichting vormt. De passiveringslaag na het salpeterzuurbad is gemaakt van Cr2O3.
• Het item van alle sporen van de zuuroplossing spoelen, en eventueel overgebleven vrij ijzer meenemen.
• Het artikel wordt onder omstandigheden geplaatst die oxidatie bevorderen. Omstandigheden zijn onder meer een combinatie van verhoogde temperatuur en vochtigheid en het gebruik van roestbevorderende middelen zoals zoutspray, kopersulfaat of kaliumferricyanide.

Roestvrij staal en andere zelfpassiverende legeringen

Roestvrij staal is een taai metaal dat door natuurlijke passivering corrosiebestendig is. Sinds de uitvinding in 1913 zijn veel industrieën afhankelijk geworden van het metaal. Het is echter niet gegarandeerd roestvrij.

Roestvrij staal is, net als andere staalsoorten, voornamelijk gemaakt van 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 soorten roestvrij staal bevatten verschillende ondersteunende metalen:molybdeen, silicium en andere bestanddelen bieden allemaal passieve ondersteuning voor verschillende toepassingen. Sommige soorten zijn superieur in het omgaan met warmte, andere in het weerstaan ​​van corrosie als gevolg van zout:de chemische mix van de legering verandert hoe deze zich onder verschillende omstandigheden gedraagt. IJzerafzettingen, hitte, contact met andere metalen, zout en zuren kunnen allemaal de oxidelaag aantasten.

Aluminium is een ander metaal dat van nature passiveert. Aluminiumoxide vormt zich op de meeste (maar niet alle) aluminiumlegeringen bij blootstelling aan lucht, waardoor het oppervlak zelfbeschermend wordt. Aluminiumoxide kan worden aangetast door zout, elektrochemische stress of ingesloten vocht. Bij zowel roestvrij staal als aluminium worden productieprocessen gebruikt om het creëren van passieve lagen te ondersteunen met een grotere dikte of uniformiteit dan van nature zou kunnen voorkomen.

Passiveringsnormen voor roestvrij staal en aluminium

Roestvrij staal en aluminium zijn beide zelfpassiverende materialen, maar ze zijn niet ongevoelig voor corrosie. Onregelmatigheden in graan, veroorzaakt door fabricage of warmtebehandelingen, kunnen zwakte veroorzaken. Oppervlakteafzettingen van olie of andere chemicaliën kunnen ook de passieve film onderbreken. Om de kwaliteit van roestvrij staal en aluminium te waarborgen, zijn er nu standaard passiveringsprocessen en tests.

ASTM-specificaties A380 en A967 stellen normen en kwaliteitstestprocedures voor het passiveren van roestvrij staal met salpeterzuur, citroenzuur of elektrisch.

Chroom wordt soms gebruikt om andere materialen te passiveren, maar vaak via applicatie in plaats van ingebouwd in de legering. Een proces genaamd chroomconversie wordt gebruikt voor aluminium en andere metalen, zoals zink en nikkel. Bij deze techniek wordt een chroomgel op het metalen oppervlak geverfd. De chemische stof bindt zich aan het oppervlak van het metaal, waardoor een passieve laag ontstaat die een hoge corrosieweerstand vertoont. Passivering van een kras naar een chroomconversie zal een zelfherstellend proces ondergaan. Chroom rond de kras komt naar binnen om de passiveringslaag te binden en opnieuw te creëren. De kras moet echter klein genoeg zijn om dit mogelijk te maken met omringend chroom.

Beitsen versus passiveren van roestvrij staal

De passivering van staal is een proces waarbij een zuurbad wordt gebruikt om een ​​oxidelaag achter te laten. Beitsen is een andere zuurbadbehandeling, maar heeft het tegenovergestelde doel:bij beitsen wordt een zuur gebruikt om oxiden van het oppervlak van het metaal te verwijderen.

Wanneer oxiden het oppervlak van een metaal bedekken, wordt het een grotere uitdaging om het te bewerken. Oxiden veroorzaken meer spanning op gereedschapsbits en kunnen pogingen om het oppervlak af te dichten met verf of poedercoating teniet doen. Door te beitsen worden alle oxiden verwijderd, ook die welke als passieve laag werken. Staal en ijzer worden meestal gebeitst.

Bij de productie van een metalen onderdeel kan het onderdeel worden gebeitst, bewerkt en vervolgens gepassiveerd.

Elektropolijsten van roestvrij staal en andere metalen

Elektrolytisch polijsten is een metalen afwerkingsstap die ontbraamt en glad maakt, waardoor een glanzend schoon oppervlak achterblijft. Het kan op veel metalen worden gebruikt, inclusief metalen die niet worden aangemoedigd om te passiveren, zoals koper. Bij het passiveren van metaal kan een glad oppervlak ononderbroken, veerkrachtige passieve lagen creëren.

Een te elektrolytisch te polijsten object wordt positief geladen en in een elektrolytbad gedompeld. Omliggende kathoden trekken de oppervlaktemoleculen van het object en scheren de bovenste laag af. Gekartelde uitsteeksels worden als eerste weggetrokken. Op zowel macroscopisch als microscopisch niveau heeft elektrolytisch gepolijst metaal weinig onregelmatigheden of spleten.

Bij het elektrolytisch polijsten van roestvrij staal wordt ijzer bij voorkeur verwijderd, waardoor er meer chroom aan het oppervlak achterblijft. Een glad, ononderbroken oppervlak zonder ijzer bevordert natuurlijk een stevige passiveringslaag op roestvrij staal.

Als passiveren mislukt

Passiveren is niet altijd de ideale oplossing; potentiële problemen omvatten een breed scala aan variabelen. Bepaalde soorten metalen kunnen niet passiveren, omdat het metaal afschilfert als het corrodeert. Als een metaal structureel in staat is om te passiveren, kan er tijdens het zuurbadproces toch iets misgaan. Aan de andere kant kan zelfs een perfect gepassiveerd metaal in bepaalde industrieën niet bruikbaar zijn - de chemie kan problemen veroorzaken in elektrochemische toepassingen.

Waarom schilfert metaal af als het corrodeert?

Metaaloxiden kunnen een grotere kristalstructuur hebben dan hun samenstellende metaalmoleculen. Zo heeft ijzeroxide (III), het bijproduct van rode corrosie dat beter bekend staat als roest, een grotere structuur en dus een groter oppervlak dan het elementaire ijzer dat het produceert. Dit grotere oppervlak dwingt het oxide om op te tillen van het oppervlak van het metaal eronder, waardoor bubbels en schilfers ontstaan. Scheiding van het oxide van het metaal stelt de volgende laag bloot aan lucht en vocht, en de cyclus gaat door, het oppervlak wegvretend.

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

Passiveringsflitsaanvallen

Soms zal een fabrikant merken dat in een partij passiveringsartikelen een of meer zwart worden en zelfs in een sterk salpeterzuurbad beginnen te etsen. Deze actieve toestand staat bekend als 'flash-aanval'. Het kan nogal verwarrend zijn, omdat het soms sommige items kan aanvallen, maar anderen in dezelfde dip-mand alleen laat.

Redenen voor flitsaanvallen hebben te maken met de consistentie van de chemicaliën die betrokken zijn bij het maken van de passieve film. Als het salpeterzuurbad lange tijd in gebruik is geweest, kan er zich zout of water in het bad hebben opgehoopt. De onderdelen zelf zijn vaak een probleem:er kan snijolie achterblijven op machineonderdelen, of warmtebehandelingen of warmtecontrole tijdens het bewerken kunnen de moleculaire structuur van het onderdeel ongelijkmatig hebben veranderd. Er kunnen ook insluitingen of inconsistenties in de legering zelf zijn.

Passivering vermijden

Er zijn momenten waarop passivering problemen kan veroorzaken voor de goede werking van een metalen onderdeel.

Elektrochemische behandelingen vereisen vaak metaalkathoden en anodes om een ​​elektrische stroom door een oplossing te laten lopen. Deze systemen kunnen de vorming van oxiden bevorderen die zich aan de buitenkant van de kathoden hechten. Naarmate de kathoden vervuild raken met de oxiden, wordt het systeem minder effectief.

In deze systemen is passivering een probleem. Het wisselen van polariteit lost het probleem soms op. Tegenoverliggende stroompulsen zorgen ervoor dat de oxiden van de kathoden wegvallen. Het oxideslib of de slak kan wegvallen en de elektrochemische activiteit van het proces niet verstoren.

Passiveringslagen om af te dichten en te beschermen

Veel metalen reageren met de omgeving en produceren oxiden, hydroxiden of sulfiden. Deze corrosieproducten ontstaan ​​op vergelijkbare wijze, maar hebben verschillende eigenschappen.

Zilveraanslag, die langzaam ontstaat naarmate zilver zich vermengt met sulfiden in de lucht, werkt als een passieve laag. Het maakt het oppervlak van het metaal dof en wordt vaak weggepoetst. Ter vergelijking:de groene patina van koper, of kopergroen, is vaak een esthetische prijs voor de diepte en het bereik van de groene kleur die het produceert. Verdigris is een mengsel van carbonaten, sulfiden, sulfaten en chloriden, gecreëerd door koper dat reageert op zure regen of kooldioxide. Roest, het meest voorkomende ijzeroxide, produceert oranje of steenrood pigment. In tegenstelling tot kopergroen, moet het zorgvuldig worden gecontroleerd, zodat het borrelende oppervlak het onderliggende staal niet laat roesten.

Passiveringslagen verzegelen en beschermen een metalen voorwerp tegen verdere oxidatie. Bij passieve lagen op basis van chroom, zoals op roestvrij staal, is deze film vaak dun genoeg om het uiterlijk of de functie van het metaal niet te veranderen. Dunne passivering verandert het metaal vaak alleen in zeer specifieke instellingen, zoals lassen, machinale bewerking of in elektrochemische systemen. Het grootste voordeel van zelf-passiverende metalen is het vermogen om "zelfgenezend" te zijn. Combineer voor maximale corrosiebescherming een zelfpassiverend metaal met een aangebrachte kit zoals een olie, poedercoating of verf.