Vraag het een metaalbewerker:wat is roest?

De chemie van corrosie:hoe je metalen voorwerpen schoon te maken en te beschermen

Roest is de algemene naam voor de chemicaliën die ontstaan ​​wanneer ijzer reageert met zuurstof en water. "Roest" is echter slecht gedefinieerd in de chemie - er kunnen veel chemicaliën worden gevormd als ijzer wordt blootgesteld. Over het algemeen verwijzen we echter naar de rode, schilferige look die het gevolg is van bepaalde chemicaliën als roest.

Corroderend ijzer of staal produceert veel verschillende verbindingen in normale omgevingscondities. Sommige van deze chemicaliën zijn zwart, blauw, geel, grijs of bruin, afhankelijk van de moleculen die ze tijdens het roesten uit de omgeving halen. Zure regen die zwavel bevat, kan bijvoorbeeld worden gecombineerd met ijzer om moleculen van pyriet te maken, het gele mineraal dat 'fool's gold' wordt genoemd. Deze mineralen zijn helemaal niet wat we beschouwen als roest. Wat we meestal bedoelen is een soort ijzeroxide (III), een die er rood of roodbruin uitziet.

Als we het hebben over roesten van ijzer, relateren we het daarom niet altijd aan de chemische veranderingen die we waarnemen in andere metalen die we regelmatig gebruiken. We hebben het niet over zilver of koper dat "roest". In plaats daarvan zou koper een patina ontwikkelen en zilver zou aantasten. Al deze termen beschrijven zichtbare corrosie van metaal.

Waarom roest ijzer? Waarom roest koper niet?

Metalen corroderen door chemische reacties met hun omgeving. Geraffineerde, voor mensen bruikbare metalen zijn vaak niet in hun thermodynamisch stabiele vorm. Ze reageren met moleculen in de lucht om hen heen om een ​​stabielere toestand te vinden.

Bij roestend ijzer is dit een proces van oxidatie, waarbij zuurstof en water werken om ijzeroxiden te produceren. Corrosie kan echter voorkomen bij andere moleculen. Zilveraanslag wordt vaak geproduceerd door reacties met waterstofsulfide, een gas dat ruikt naar rotte eieren en wordt geproduceerd door bacteriële afbraak in zuurstofarme omgevingen. Als je zilver in de buurt van een moeras of in de buurt van een vuilnisbelt hebt, zal het snel aantasten!

Sommige metalen corroderen niet omdat ze al chemisch stabiel zijn. Goud en platina zijn voorbeelden:ze worden om deze reden eerder als puur elementair metaal in de aardkorst aangetroffen. Zilver wordt ook gevonden als een puur metaal, want wanneer het dof wordt, creëert de aanslag zelf een thermodynamisch stabiele afdichting rond de rest van het metaal. Deze passieve film voorkomt verdere corrosie van lagen verder naar beneden, in een proces dat passiveren wordt genoemd.

Het patina van koper, verantwoordelijk voor de kenmerkende groene kleur van het Vrijheidsbeeld, is een voorbeeld van een passieve film die het onderliggende metaal beschermt; de kopergroen gevormd door de verwering van koper behoudt zijn binding met de laag koper eronder, afdichtend en beschermend tegen atmosferische moleculen.

Daarentegen hechten rode ijzeroxiden (III) zich niet aan het ijzer eronder, maar trekken ze weg en schilferen ze af. Daarom zorgt roest niet voor een passiveringslaag, maar corrodeert het weg, waardoor de volgende laag ijzer wordt blootgesteld aan oxidatie.

Sommige legeringen op ijzerbasis, zoals roestvrij staal, staan ​​bekend als roestbestendig. Roestbestendige ijzerlegeringen hebben een metaal in de mix dat een passieve en beschermende film creëert voordat roest kan inslaan. Bij roestvrij staal wordt passivering gecreëerd door de toevoeging van chroom, dat snel oxideert, waardoor een zeer dunne laag achterblijft die het ijzer beschermt .

Veelvoorkomende soorten metaalcorrosie

Metalen corroderen in verschillende omgevingen door verschillende processen. De eenvoudigste vorm van corrosie treedt op wanneer metalen reageren op vocht en lucht aan hun oppervlak. In zoute omgevingen kan de aanwezigheid van chloor in het zout dit proces versnellen en matigen. Bij zure regen kunnen zwavelverbindingen verantwoordelijk zijn.

Zoute omgevingen vergemakkelijken ook een iets gecompliceerder proces dat galvanische corrosie . wordt genoemd . Bij galvanische corrosie komen twee soorten metalen met zeer verschillende elektrische potentialen in elektrisch of fysiek contact in een elektrolytbad, zoals zeewater. Het meer passieve metaal, het kathodische metaal, trekt elektronen uit het actieve of anodemetaal. Deze chemische reactie is een vorm van corrosie die ook de basis vormt van elektrochemische batterijen.

De nieuw geladen moleculen in het anodische metaal stabiliseren zichzelf door te combineren met moleculen in de omgeving, waarbij meestal oxiden of andere mineralen ontstaan. In staal zijn die oxiden roest.

Aluminium is een metaal dat tijdens corrosie meestal wordt beschermd door een passieve film. Door galvanische corrosie kan aluminium echter snel worden gecorrodeerd als het wordt vastgeschroefd met roestvrijstalen schroeven. De stalen schroeven daarentegen zijn beter bestand tegen roest! Doordat de anode een gestage stroom elektronen levert, wordt corrosie in het kathodemetaal voorkomen. Om deze reden worden soms "opofferingsanoden" bevestigd aan metaal dat wordt blootgesteld aan de zee, zoals op de scheepsromp, om het scheepsmembraan elektrochemisch te helpen beschermen.

Pitscorrosie is de term voor corrosie die niet uniform over het oppervlak van een metaal optreedt. In plaats daarvan verschijnen er kleine gaatjes in het metaal. Deze gebieden met snellere corrosie zijn meestal te wijten aan het falen van de "afdichting" op het materiaal, of dat nu een door de mens gemaakt afdichtmiddel is, zoals verf of poedercoating, of de passieve filmafdichtmiddel van een toplaag van corrosie. De passiveringslaag kan falen als er insluitsels in het metaal zitten of als de legering niet uniform is. Metaal is een kristallijne structuur gemaakt van korrels, en er zijn verschillende fasen van die korrelstructuren. Als de chemie onregelmatig of vervormd is, kan dit plekken veroorzaken die kwetsbaarder zijn voor corrosie, en zelfs galvanische corrosie veroorzaken door het hele lichaam van hetzelfde metaal.

Kan roestvrij staal roesten?

Roestvast staal is een corrosiebestendige ijzerlegering die roest bestrijdt door toevoeging van chroom. Er worden verschillende chroompercentages gebruikt om het bestand te maken tegen regelmatig gebruik of zwaar gebruik in zoute omgevingen, zoals bij 316 roestvrij staal.

Maar zelfs roestvrij staal kan roesten! Al het ijzer dat in het metaal zit opgesloten, heeft alleen blootstelling nodig om te reageren. Het vertrouwt op de "afsluitende" passieve laag chroomoxide om het te beschermen.

De chroomoxidelaag is slechts enkele moleculen dik en wordt niet onmiddellijk gevormd. Wanneer roestvrij staal wordt gemaakt, wordt het gereinigd met een zuur. Dit zuur verwijdert alle ijzer-, zout- of vetafzettingen op het oppervlak die een probleem kunnen veroorzaken voor de chemische reactie van het chroom. Afhankelijk van het type zuur dat wordt gebruikt, kan het ofwel deel uitmaken van het passiveringsproces, of het staal alleen voorbereiden om op natuurlijke wijze in de lucht te passiveren.

Omdat deze passieve film een ​​chemische stof is, kan deze worden verstoord. Zeer hoge hitte van meer dan 750 ° F kan moleculaire veranderingen in het chroom veroorzaken die oxidatie voorkomen, zodat roest kan ontstaan ​​rond de plaats van een las op roestvrij staal. In andere gevallen kan de chroomoxidelaag worden aangetast door snelle thermische verandering, slijtage, breuk, zout, zuur en de opbouw van andere metaalafzettingen. Als het roestvrij staal in contact komt met te veel ijzer, kan het gelokaliseerde percentage chroom onder het minimumpercentage komen dat nodig is om een ​​film te behouden (ondergrens 10,5%.)

Daarom kan het schuren van roestvrij staal met staalwol een roestprobleem verergeren! Naarmate het chroom wegslijt, kunnen staalmoleculen uit de scrubber onderdeel worden van het basismetaal, waardoor het lokale chroomgehalte wordt verlaagd. Wanneer de passivering op roestvrij staal faalt en ijzer wordt blootgesteld aan water en lucht, treedt roest in.

Hoe roest van roestvrij staal te verwijderen

Advies over het reinigen van roestvrij staal suggereert vaak dat u "voorzichtig moet zijn met krassen op het chroomoppervlak", en daarom wordt het gebruik van schuurmiddelen en andere chemicaliën afgeraden. Dit is niet helemaal correct:de roest wijst erop dat het chroomoxide-oppervlak al is beschadigd. Het doel van het reinigen van roest van roestvrij staal in de niet-industriële context (thuis of in een kleine commerciële keuken), is om eerst de roestvrije legering volledig te reinigen, waarbij alle roest maar ook alle ijzerafzettingen, zout, vet of zuur worden verwijderd, en vervolgens om het materiaal te laten "auto-passiveren", wat betekent dat het moet reageren met lucht om de afdichting opnieuw te vormen. Door hierbij weg te blijven van alle vormen van ijzer en staal, kunt u tevreden zijn met het resultaat.

Om roest van roestvrij staal te verwijderen:

1. Een mild schuurmiddel, zoals zuiveringszout, kan worden gebruikt om het oppervlak te schrobben met een doek, spons of zachte borstel om de roest te verwijderen.
2. Als de roest en eventuele verontreinigingen worden verwijderd, zal het chroom onmiddellijk automatisch passiveren, waardoor zijn eigen beschermende schild ontstaat.
3. De laag chroomoxide wordt de komende dagen dikker, dus 's nachts drogen aan de lucht helpt de bescherming op te bouwen!
4. Na een goede spoeling kan het roestvrij staal aan de lucht worden gedroogd, of kan het worden gereinigd en gepolijst met een aangepaste roestvrijstalen reiniger.

In productieomgevingen wordt roestvrij staal soms gereinigd in een heet bad van salpeterzuur, dat een dikkere passiveringslaag "forceert". Om milieuredenen gaan veel fabrikanten momenteel over op het gebruik van citroenzuur voor reiniging, zoals thuis vaker voorkomt, en laten ze het roestvrij staal vervolgens "auto-passiveren".

Hoe roest te verwijderen van gietijzer en staal

In tegenstelling tot het verwijderen van roest van roestvrij staallegeringen, kan het gebruik van staalwol of een draadborstel helpen bij het verwijderen van roest van gietijzer of staal!

Voor eenvoudige, kleinere oppervlakken, zoals geroeste gietijzeren pannen:

1. Een schuursponsje en een beetje elleboogvet kunnen de ijzeroxidelaag verwijderen. Zout is een veelgebruikt schuurmiddel.
2. De pan moet dan goed gewassen worden.
3. De pan moet boven het vuur worden gedroogd, zodat alle poriën van het oppervlak vloeistof uit de pan drijven.
4. Gietijzer moet worden gekruid met olie, die een polymeerafdichtmiddel vormt wanneer het op het oppervlak wordt gebakken.
5. Deze olie kan in een dunne laag over het oppervlak worden geverfd en vervolgens gedurende 1 uur (ondersteboven om pooling te voorkomen) op 375 ° worden gebakken. Indien gewenst kunnen er extra lagen worden toegevoegd.
6. Lijnzaadolie van voedingskwaliteit is de ideale keuze in kruidenoliën en geeft een harde, glanzende afwerking.

Schrobben is niet praktisch voor veel objecten met complexe vormen of afmetingen. In dit geval kunnen chemische verwijderingsmethoden de beste benadering zijn. Ze hebben een variabele werkzaamheid, afhankelijk van het type legering. Gebruikelijke huishoudelijke ingrediënten zoals azijn, melasse of citroenzuur kunnen worden gebruikt. Melasse is een verrassende keuze, en het duurt langer dan azijn, maar het kan behoorlijk effectief zijn, omdat het wordt afgebroken tot oxaalzuur, wat helpt bij het verwijderen van roest.

Commerciële roestverwijderende producten - vaak gemaakt met sterkere zuren - zijn ook beschikbaar. Weken in deze vloeistoffen en vervolgens verwijderen en drogen kan effectief zijn bij het herstellen van oude roestige schatten.

Net als bij gietijzeren pannen is het echter belangrijk om te overwegen hoe uw staal en ijzer worden beschermd tegen de elementen nadat ze zijn schoongemaakt.

Ijzerhoudende metalen beschermen

IJzer zal, in aanwezigheid van lucht en water, roesten. Dit betekent dat we al zo lang als de mensheid ijzer bewerkt, ook werken aan de beste kitten voor ijzer. Er zijn veel manieren om een ​​strakke laag te maken.

Gedwongen passivering —Een veel voorkomende vorm van afdichten van ijzer of staal is om de eerste laag te corroderen tot een ijzeroxide (II), of zwart oxide, dat werkt als andere metaalpatina's en het metaal afdicht. Het enige verschil tussen dit proces en dat wat er met koper, zink of chroom gebeurt, is dat het niet zal gebeuren onder normale omgevingsomstandigheden. Daarom, als de bovenste laag van het item beschadigd is, moet het hele item opnieuw worden afgewerkt. Dit staat bekend als "blauwen" wanneer het wordt gedaan met geweren via één proces, of "zwart worden" bij de meeste machinewerkplaatsen, via een soortgelijk proces maar iets andere chemicaliën. Bij koudzwartingsprocessen kan ijzeroxide (II) over het oppervlak worden geverfd, wat een iets minder duurzame bescherming biedt.

Regelmatig gebruik en onderhoud, inclusief oliën of waxen -Sommig werkend ijzer of staal blijft grotendeels onbewerkt, waar het door gebruik, onderhoud of de omgeving zal blijven glanzen. Traditionally, weapons like swords and gear like knives might have been left “raw” but would be dried and oiled with mineral or cooking oils, which are temporary sealants needing regular reapplication. For long storage, waxes and other polishes might be used to create a seal—but one that would still wear with use.

Engine parts exposed to regular oil might be left raw, as the heat and oil around the engine make them unlikely to rust, but outside surfaces might be painted. The exhaust systems of cars rely on the higher temperatures of a fully hot engine to prevent corrosion, and so driving long enough for the engine block to heat is a way of preventing rust in a muffler. (In high-performance racing engines, the insides might also be painted, but this is mostly to help with the circulation of oil.)

Applied sealants —Many iron and steel products are protected by being coated in a hard layer of another substance. These include:

• Polymerized oil:  Linseed oil (made of flax, but not to food-grade standards) was one of the original finishes to wrought iron products. A smith might quench in oil or paint an object with oil and then torch it, providing the traditional black-brown luster that we still emulate on wrought iron today—usually with lacquers, paints, or varnishes.
• Hot-dip galvanization:  In this process, zinc is applied to steel or iron in a molten bath. Zinc galvanization has several protective properties. Firstly, it creates a patina, which seals both the zinc and the iron or steel below. Secondly, it is more “active” than the metals it is applied to. Over the life of a galvanized steel object, the zinc acts as the “sacrificial anode.” As it degrades, it protects and slows the corrosion of the steel underneath, even should that steel be exposed.
• Electroplating:  Zinc can be applied to steel not through a dip-bath, but by running electrical charge through the steel object, and spraying the object with charged zinc particles. This causes electrical bonding that is uniform and unbroken over the surface of the metal.
• Powder-coat:  The process for applying powder coating is like that of applying zinc in that the object and the sealant are both electrostatically charged, meaning a molecular bond without even the tiniest interruptions that will let moisture through. The resinous powder coat is then baked onto the object in a hot oven. The coat will maintain luster for years, providing superior protection and requiring minimal upkeep.
• Paint:  Both indoors and out, and even in the heart of high performance engines, paint is a popular and versatile sealant. As an inexpensive sealant it still does a very good job at protecting iron and steel from the elements. When it cracks and wears down, it is simple enough to sand and reapply. Paint’s drawback is its own tendency to crack and flake in weather:even a small hole in the sealant layer can start the process of rust below. However, these drawbacks are sometimes manageable over the use of a part or part of a regular maintenance routine.

Caring for metal objects

Metal is a classically durable material, used to create objects and structures to last over many lifetimes. Yet most metals are still vulnerable to corrosion and electrochemical decay. When beginning a project, consideration of the environment the metal will be in allows a designer to pick the metal that will hold up best in those conditions.

Iron is very prone to oxidization, and rust will usually set in with the slightest hint of water and oxygen. Unlike other metals, this oxidization will not form its own sealing passive layer. Therefore, sealants are usually used with ferrous metals. Finding the right type and keeping an eye on the metal over the decades of its use can help prolong the life of any metal object.