Koolstofstaalcorrosie Begrijpen: Oorzaken, Effecten en Preventie

Corrosie in Koolstofstalen

Volgens ISO 8044:2010 is 'corrosie de fysico-chemische interactie tussen een metaal en zijn omgeving, wat resulteert in veranderingen in de eigenschappen van het metaal en wat kan leiden tot significatieve functionele vermindering van het metaal, de omgeving, of het technische systeem waarvan zij een deel vormen'. Corrosie wordt waargenomen wanneer er een verandering is in de eigenschappen van het metaal of systeem die kan leiden tot een ongewenst resultaat. Dit kan variëren van puur visuele schade tot complete falen van technische systemen die grote economische schade veroorzaken en zelfs een gevaar voor mensen kunnen vormen.

Corrosie kan breed gedefinieerd worden als de vernietiging of verslechtering van metaal door directe chemische en electrochemische reactie met zijn omgeving. Het meest simpel gesteld, is metallische corrosie het omgekeerde van galvaniseren. Het metaal dat gecorrodeerd wordt, vormt de anode terwijl de kathode degene is die galvaniseerd wordt. Metallische corrosie treedt op omdat in veel omgevingen de meerderheid van metalen niet inherent stabiel zijn en neigen om terug te keren naar een meer stabiele combinatie waarvan de metallische ertsen zoals in de natuur gevonden bekend voorbeelden zijn.

Koolstofstaal is het meest gebruikte ingenieursmateriaal. Het heeft relatief beperkte corrosieweerstand. De kosten van corrosie van koolstofstaal voor de totale economie zijn zeer hoog. Aangezien koolstofstalen de grootste enkele klasse van legeringen in gebruik vertegenwoordigen, zowel in termen van tonnage als totale kosten, is de corrosie van koolstofstalen een probleem van enorme praktische belangrijkheid. In koolstofstaal kan het typische corrosieproces beschouwd worden als de thermodynamisch begunstigde omgekeerde reactie van het metaal-winnings (winning) proces zoals getoond in Fig. 1.

Koolstofstaal (waaronder zachte stalen) heeft van nature beperkte legeringsinhoud, meestal minder dan 2% naar gewicht voor de totaal van alle toevoegingen. Helaas produceren deze toevoegingsniveaus doorgaans geen opvallende veranderingen in algemeen corrosiegedrag. Een mogelijke uitzondering op deze stelling is de weerbestendige stalen, waarin kleine toevoegingen van koper, chroom, nikkel, en/of fosfor significante reducties in corrosiesnelheid in bepaalde omgevingen produceren. Op de niveaus van diverse elementen waarin ze aanwezig zijn in het koolstofstaal, hebben de elementen geen significant effect op corrosiesnelheid in de atmosfeer, neutrale wateren, of gronden. Alleen in het geval van zuuraanval wordt een effect waargenomen. In dit geval verhogen de aanwezigheid van fosfor en zwavel de aanvalsnelheid aanzienlijk. Inderdaad, in zuursystemen, lijken zuivere ijzers de beste weerstand te tonen.

Corrosiereacties treden op wanneer condities thermodynamisch ten gunste zijn van de chemische reacties. Wanneer dit gebeurt, dan drijven potentiële andere factoren de snelheid van de reactie (kinetica van de reactie). De corrosiesnelheid is zeer afhankelijk van de omgeving waarin de koolstofstalen gebruikt worden. Bij het oplossen van een specifiek corrosieprobleem, kan een dramatische verandering in aanvalssnelheid vaak bereikt worden door de corrosieve omgeving te veranderen. Aangezien corrosie een dergelijk veelzijdig fenomeen is, is het doorgaans nuttig om te proberen de diverse typen te categoriseren op basis van de omgevingsbasis, zoals atmosferische corrosie, waterige corrosie, corrosie in gronden, beton, en ketels etc.

Typen Corrosiereacties

Er is een onderscheid tussen de typen corrosie die normaal de interactie tussen het metaal en de omgeving beschrijft, en vormen van corrosie die het fenomenologische uiterlijk beschrijft.

• Chemische reactie – Het is een typische chemische corrosiereactie die optreedt bij hoge temperaturen, waar het metaal reageert met hete gassen en een oxidelaag vormt.
• Metallo-fysieke reactie – Het voorbeeld van de metallo-fysieke reactie is de embrittlement veroorzaakt door waterstof die in het metaal diffuseert, mogelijk leidend tot falen van een component. Embrittlement kan het resultaat zijn van een onzorgvuldig fabricageproces. Het kan ook geïnitieerd worden door corrosieprocessen (metaaloplossing) zoals corrosie-geïnduceerde waterstof-geassisteerde kraken.
• Electrochemische reactie – Dit is het meest voorkomende type corrosiereactie. De reactie impliceert een elektrische uitwisseling via elektronen in het metaal en ionen in een geleidende elektrolyt, zoals een waterfilm op het oppervlak.

De algehele reactie kan gescheiden worden in twee deelreacties: (i) metaaloplossing, ook wel oxidatie of anodische reactie genoemd (Fe = Fe2+ + 2 e-), en (ii) reductie of kathodische reactie, een reactie voornamelijk betreffende de zuurstof in de lucht met water (O2 + 2 H2O + 4 e- = 4 OH-). Deze twee deelreacties kunnen plaatsvinden op het metaaloppervlak in een redelijk homogene verdeling leidend tot uniforme aanval of kunnen lokaal en apart optreden, leidend tot gelokaliseerde vormen van corrosie zoals putkorrosie.

Het mechanisme en de electrochemische aard van de corrosiereactie definiëren de noodzakelijke vereisten voor corrosie om plaats te vinden (Fig. 2). Deze vereisten zijn: (i) een geleidend metaal, (ii) een elektrolyt (een dunne vochtfilm op het oppervlak is al voldoende), en (iii) zuurstof voor de kathodische reactie.

Fig. 2 toont ook het basis corrosiemechanisme van ijzer onder een druppel water. Zowel ijzeroplossing als zuurstofreductiereacties nemen plaats met lichte scheiding op het oppervlak, en hun producten (Fe-ionen en OH-ionen) reageren in de waterdruppel om rood roest (corrosieproduct) te vormen. Het eenvoudige model van de corrosiereactie van Fig. 2 verklaart veel vormen van corrosie en ook maatregelen te deduceren om corrosie te verminderen. Door een van de deelreacties te voorkomen of te vertragen, kan de algehele corrosiesnelheid verminderd worden.

Vormen van Corrosie

Er zijn zes hoofdfomen van corrosie (Fig. 3). Deze zijn: (i) uniforme corrosie / ondiepe putcorrosie, (ii) putcorrosie, (iii) omgevingsgeïnduceerde kraken, (iv) klemcorrosie, (v) inter-kristallijne (inter-granulaire) corrosie, en (vi) galvanische corrosie.

Uniforme Corrosie / Ondiepe Putcorrosie

Uniforme corrosie is een vorm van corrosie waarbij het oppervlak bijna gelijkmatig wordt verwijderd. De deelreacties (metaaloplossing en zuurstofreductie) zijn statistisch verdeeld over het oppervlak, wat leidt tot min of meer homogene oplossing van het metaal en uniforme vorming van corrosieproducten (bijv. rood roest op koolstofstaal). De omvang van deze vorm van corrosie kan normaal goed geschat worden op basis van eerdere ervaring. De corrosiesnelheid wordt normaal gegeven in micrometer per jaar. Met deze gemiddelde waarden is het mogelijk de levensverwachting van een component te berekenen, en dus de levensverwachting te verbeteren door de dikte te verhogen.

Uniforme corrosie treedt op op onbeschermd koolstofstaal en op gevernist staal onder atmosferische omstandigheden. In de realiteit is puur homogene corrosie-aanval onwaarschijnlijk. Er zijn altijd gebieden, met name op complexe staalonderdelen, die sneller corroderen dan andere wat leidt tot een min of meer ruw oppervlak met een onregelmatige bedekking van corrosieproducten.

Putcorrosie

Putcorrosie is een gelokaliseerde vorm van corrosie die leidt tot de creatie van kleine gaten of putten in het staal. Deze vorm van corrosie wordt voornamelijk gevonden op passieve metalen die hun corrosieweerstand verschuldigd zijn aan een dunne oxidelaag op het oppervlak met een dikte van slechts een paar nanometer. Het corrosie-initiërerende proces begint met een lokale afbraak van de passieve laag. Lokale corrosieve aanval kan op stalen geïnitieerd worden, bijvoorbeeld, door chloride-ionen. Putcorrosie kan tamelijk problematisch zijn. Terwijl uniforme corrosie duidelijk zichtbaar is op het oppervlak, verschijnt putcorrosie vaak alleen als kleine naaldenkopgaten op het oppervlak. De hoeveelheid materiaal verwijderd onder de naaldenkopgaten is doorgaans onbekend, aangezien verborgen holtes kunnen vormen, wat putcorrosie moeilijker te detecteren en voorspellen maakt. Technisch is er geen redelijke manier om putcorrosie te controleren. Deze vorm van corrosie moet vanaf het begin uitgesloten worden door ontwerpoverwegingen en gebruik van het juiste materiaal.

Omgevingsgeïnduceerde Kraken

Er zijn twee typen omgevingsgeïnduceerde kraken: (i) spanning-corrosie kraken, en (ii) waterstof-geassisteerde kraken (Fig. 4).

Spanning-corrosie kraken is een gecombineerd mechanisch en electrochemisch corrosieproces wat resulteert in kraken van bepaalde materialen. Het kan leiden tot onverwachte plotselinge bros breuk van normaal duktiele metalen onderwerp aan spanningsniveaus ver onder hun strekkingsgrens. Interne spanningen in een materiaal kunnen voldoende zijn om een aanval van spanning-corrosie kraken te initiëren.

Spanning-corrosie kraken is niet simpelweg een overlappende van corrosie en mechanische spanningen, maar kan begrepen worden als een auto-katalytisch, zelf-versnellend proces leidend tot hoge metaaloplossingssnelheden (anodische reactie). Initieel wordt een kleine put gevormd en ontwikkelt zich tot een kraak door de toegepaste of residuele spanning in het materiaal. De kraakvorming opent een nieuw actief (niet-passief) metaaloppervlak, wat weer heel gemakkelijk corrodeert. Dit leidt tot verdere kraakvoortplanting en weer tot blootstelling van nieuwe hoog actieve metaaloppervlakken in de kraak. Metaaloplossing in de kraak schreedt snel voort tot mechanische breuk optreedt.

Spanning-corrosie kraken is een hoog specifieke vorm van corrosie die alleen optreedt wanneer de volgende drie verschillende vereisten tegelijkertijd vervuld zijn (Fig. 4): (i) mechanisch (belasting, spanning), (ii) materiaal (vatbare legering, bijv. staal), en (iii) omgeving (hoog corrosief, chloriden). Het is goed bekend dat bepaalde kwaliteiten staal spanning-corrosie kraken kunnen lijden in harde omgevingen zoals binnen zwembaden. In de meeste van deze gevallen wordt corrosie geïnitieerd door chloriden die de passieve laag aanvallen.

Waterstof-geassisteerde kraken wordt veroorzaakt door de diffusie van waterstofatomen in het staal. De aanwezigheid van waterstof in het rooster verzwakt de mechanische integriteit van het metaal en leidt tot kraakgroei en bros breuk bij spanningsniveaus onder de strekkingsgrens. Net als spanning-corrosie kraken, kan het leiden tot plotselinge falen van staalonderdelen zonder enige detecteerbare waarschuwingstekenen. In veelvoorkomende toepassingen is waterstofschade meestal alleen relevant voor hoge-sterkte staal met een treksterkte van ongeveer 1 MPa of hoger.

Voor de spanning-corrosie kraken, moeten drie verschillende condities (Fig. 4) tegelijkertijd aanwezig zijn: (i) mechanisch (belasting, spanning), (ii) materiaal (hardheidsstructuur), (iii) omgevingsmatig (externe waterstof, interne waterstof).

De bron van waterstof kan het productieproces zijn zoals staalproductie, beizen en elektro-galvaniseren (primair waterstof). Een secundaire bron kan de waterstof zijn gevormd tijdens een corrosieproces. Tijdens het corrosieproces wordt waterstof gevormd en diffuseert in het materiaal. Deze waterstofopname leidt tot een afname in de zwaarte of duktiliteit van het staal.

Klemcorrosie

Klemcorrosie verwijst naar corrosie die optreedt in kraken of klemmen gevormd tussen twee oppervlakken (gemaakt van hetzelfde metaal, verschillende metalen of zelfs een metaal en een niet-metaal). Dit type corrosie wordt geïnitieerd door de beperkte toetreding van zuurstof uit de lucht door diffusie in het klemgebied leidend tot verschillende concentraties opgeloste zuurstof in de gemeenschappelijke elektrolyt (de zogenaamde aeratiecel). Opnieuw nemen de twee deelreacties plaats op verschillende delen van het oppervlak. Zuurstofreductie vindt plaats in de buitenste gebieden met hogere zuurstofconcentraties gemakkelijk bereikbaar door de omringende lucht, terwijl de anodische metaaloplossing plaatsvindt in het klemgebied resulterend in gelokaliseerde aanval (bijv. putten). Het kan ook onder ringen of pakkingen optreden, wanneer de toetreding van water eronder niet voorkomen wordt.

Er zijn onder- en bovengrenzen voor de grootte van een klem waarin corrosie geïnduceerd kan worden. Als de klem te strak is, wordt geen elektrolyt voor corrosie geïntroduceerd. Als de klem te wijd is om zuurstoftoetreding te verminderen, kan de aeratiecel en consequent verschillende zuurstofconcentraties niet ontwikkelen. Echter, de kritische klembreedte hangt af van diverse factoren zoals het type betrokken stalen, de corroderende omgeving en nat/droge cycli.

Inter-kristallijne (Inter-granulaire) Corrosie

Inter-kristallijne corrosie is een speciale vorm van gelokaliseerde corrosie, waarbij de corrosieve aanval plaatsvindt in een tamelijk smal pad preferentieel langs de korrelgrenzen in de metaalstructuur. Het meest voorkomende effect van deze vorm van corrosie is een snelle mechanische desintegratie (verlies van duktiliteit) van het materiaal. Normaal kan het voorkomen door het juiste materiaal en het productieproces te gebruiken.

Een bekend voorbeeld is de zogenaamde sensibilisatie van roestvrij staal. Wanneer bepaalde kwaliteiten van dit materiaal bij een temperatuur binnen het bereik van 500 °C tot 800 °C voor een aanzienlijke tijd gehouden worden, bijvoorbeeld tijdens een letselproces, worden chroom-rijke carbide gevormd, wat resulteert in chroom-uitputting aan de korrelgrenzen. Gevolgd bezitten de korrelgrenzen een lagere graad van corrosieweerstand dan het residuele materiaal, leidend tot gelokaliseerde corrosieve aanval.

Galvanische (Contact) Corrosie

Galvanische corrosie verwijst naar corrosieschade waar twee ongelijke metalen een elektrisch geleidende verbinding hebben en in contact zijn met een gemeenschappelijke corrosieve elektrolyt. In het electrochemische model van corrosie vindt een van de twee deelreacties (anodische metaaloplossing en kathodische zuurstofreductie) bijna uitsluitend op één metaal plaats. Normaal wordt het minder edele metaal opgelost (anodische metaaloplossing), terwijl het edelere deel niet aangevallen wordt door corrosie (dient alleen als de kathode voor zuurstofreductie). Waar galvanische corrosie plaatsvindt, is de corrosiesnelheid van het minder edele metaal hoger dan in een vrij corroderende omgeving zonder contact met een ander metaal.

Door thermodynamische gegevens te gebruiken en rekening te houden met algemene ervaring opgedaan in typische toepassingen, is het mogelijk te voorspellen welke materiaalcombinaties beïnvloed worden door galvanische corrosie. Een positief voorbeeld van het galvanische corrosiefenomeen is de manier waarop zink koolstofstalen en legeringsstalen beschermt. Zink is het minder edele metaal dat actief staal beschermt door zelf gecorrodeerd te worden.

Atmosferische Corrosie van Koolstofstaal

De corrosie van koolstofstaal in de atmosfeer en in veel waterige omgevingen wordt het best begrepen vanuit een filmvorming- en afbraak-standpunt. Het is een onontkoombaar feit dat ijzer in de aanwezigheid van zuurstof en/of water thermodynamisch onstabiel is ten opzichte van zijn oxiden. Dus, de vraag is nooit of het staal gaat corroderen, maar wel op welke snelheid. In afwezigheid van filmvorming en met een constante omgeving, kan men verwachten dat de oxidatiesnelheid constant is. Aan de andere kant, als de corrosieproductfilm die vormt het staal isoleert van de corrosieve omgeving, dan is een nul corrosiesnelheid verwacht na de initiële filmvormingsperiode. Een stevig hechtende film die alleen diffusie-overdracht van de reactanten toestaat, wordt gekenmerkt door een corrosiesnelheid die afneemt met de vierkantswortel van de blootstellingstijd. Aangezien de bovengenoemde idealisaties zelden voorkomen in de corrosie van koolstofstalen, is het duidelijk dat andere factoren die neigen om stabiele filmvorming te verstoren, operatief zijn. Deze factoren kunnen extern zijn, zoals erosie door wind of regen, of ze kunnen intern zijn voor de film zelf, zoals spanningen veroorzaakt door de verschillende specifieke volumes van metaal en oxide.

De corrosie van ijzer in de atmosfeer verloopt via de vorming van gehydrateerde oxiden. De half-cel reacties kunnen uitgedrukt worden door de vergelijkingen: (i) 1/2 O2 + H2O + 2e- = 2(OH)- (kathodisch), en (ii) Fe = (Fe)2+ + 2e- (anodisch). Verdere reacties kunnen dan optreden, zoals: (i) (Fe)2+ + 2(OH)- = Fe(OH)2, en (ii) 2Fe(OH)2 + H2O + 1/2 O2 = 2Fe(OH)3.

De gehydrateerde oxiden kunnen water verliezen tijdens droge periodes en terugkeren tot de anhydruze ferri- en ferri-oxiden. Bovendien vormt vaak een laag magnetiet (Fe3O4) of FeO·Fe2O3 tussen de lagen van ijzeroxide (FeO) en hematiet (Fe2O3). Echtgen, de diverse oxiden en hydroxiden van ijzer vormen een tamelijk ingewikkeld stelsel van verbindingen. De verbinding FeOOH is gevonden in drie verschillende kristalvormen plus een amorfe vorm. Het voorkomen van de diverse oxidetypes is afhankelijk van pH, beschikbaarheid van zuurstof, diverse atmosferische verontreinigingen, en de samenstelling van het koolstofstaal, zoals in weerbestendige stalen die koper en fosfor bevatten. De werkelijke aard van de corrosiefilm is belangrijk aangezien FeO en FeOOH lijken meer hechtend te zijn dan Fe3O4 en Fe2O3, en dus meer geneigd de corrosieve aanval te vertragen, maar de hogere oxiden en oxy-hydroxiden zijn meer geneigd tot opschuiling.

Aangezien er een aanzienlijke variatie is in de corrosiesnelheden van koolstofstalen in verschillende atmosferische omgevingen (landelijk, stedelijk, industrieel, en marien etc.), is het logisch om te bepalen welke van de factoren die bijdragen aan deze verschillen. Hoewel de voorspelling van corrosiviteit niet mogelijk is, lijkt het dat vochtigheid, temperatuur, en de niveaus van chloride, sulfaat, en waarschijnlijk andere atmosferische verontreinigingen elk een invloed uitoefenen op de corrosiesnelheid van koolstofstalen.

Effecten van Vochtigheid en Atmosferische Verontreinigingen

Aangezien atmosferische corrosie een elektrolytisch proces is, is de aanwezigheid van een elektrolyt nodig. Dit betekent niet dat het staaloppervlak met water overstort moet zijn. In feite is een heel dun geadsorbeerde waterfilm alles wat nodig is. Tijdens een daadwerkelijke blootstelling, doorbrengt het staal een deel van de tijd overstort met water vanwege regen of spatten en een deel van de tijd bedekt met een dun geadsorbeerde waterfilm. Het deel van de tijd doorgebracht bedekt met de dunne waterfilm hangt tamelijk sterk af van de relatieve vochtigheid op de blootstellingslocaties. Verschillende studies hebben aangetoond dat natte tijd, hoewel een belangrijke factor, niet in isolatie kan worden overwogen bij het schatten van corrosiesnelheden. Een voorbeeld van dit feit is getoond in Fig. 5, waarin de gewichtstoename van ijzer is uitgezet als functie van relatieve vochtigheid voor een blootstelling van 55 dagen in een atmosfeer met 0,01% zwaveldioxide. In de rechter benedenhoek van Fig. 5 is de gemeten corrosiesnelheid voor ijzer blootgesteld voor dezelfde tijd in een zwaveldioxide-vrije omgeving bij 99% relatieve vochtigheid.

Een ander interessante kenmerk is het blijkbare bestaan van een kritisch vochtigheidsniveau onder welke de corrosiesnelheid klein is. De kritische vochtigheid in een zwaveldioxide-bevattende omgeving is ongeveer 60%. Dit gedrag contrasteert met dat van staal in contact met zeezoutdeeltjes, zoals getoond in Fig. 5. In Fig. 5 toont de corrosiesnelheid een stijgende toename met toenemende vochtigheid. Hoewel er een schaarste aan gegevens is, lijkt het redelijk dat stikstofoxiden in de omgeving ook een versnellend effect hebben op de corrosie van koolstofstaal. Inderdaad, elk gasvormig atmosferisch bestanddeel capabel van sterke elektrolytische activiteit moet verdacht worden capabel te zijn de corrosiesnelheid van koolstofstaal te verhogen. Kortom, er kan een versnellend effect van chloride-ionen op de atmosferische corrosie gezien worden.

Corrosiebescherming van Koolstofstalen

Corrosiebescherming (Fig. 6) is vaak een noodzakelijke overweging bij het selecteren van koolstofstaal voor een gegeven structurele toepassing. Corrosie kan de lastdraagcapaciteit van een component verminderen ofwel door de grootte (doorsnede) in het algemeen te verminderen ofwel door putten, wat niet alleen de effectieve doorsnede in het geputte gebied vermindert maar ook spanningsverhogers introduceert die kraken kunnen initieren. Omdat elke maatregel die corrosie vermindert of elimineert de levensduur van een component verlengt en de betrouwbaarheid vergroot, zijn de economie, omgevingsomstandigheden, graad van bescherming nodig voor de verwachte levensduur van het deel, gevolgen van onverwachte dienstfalen, en het belang van uiterlijk de belangrijkste factoren die niet alleen bepalen of een staalonderdeel beschermd moet worden tegen corrosie, maar ook de meest effectieve en economische methode om die bescherming te bereiken.

Er zijn twee methoden om de corrosie van stalen te minimaliseren. De eerste is om de reagerende fasen te scheiden, en de tweede is om de reactiviteit van de reagerende fasen te verminderen. De scheiding van de reagerende fasen kan bereikt worden door metalen, anorganische of organische coatings, en film-vormende inhibitoren. Reactiviteit kan verminderd worden door legeren, anodische of kathodische bescherming, en chemische behandeling van de omgeving. Sommige beschermingsmethoden combineren twee of meer vormen.

In de meeste omgevingen is de corrosiesnelheid van koolstofstaal typisch ongeveer 20 micrometer per jaar in een landelijke buitenatmosfeer en stijgt tot meer dan 100 micrometer per jaar in kustomgevingen. Het is normaal te hoog voor een bevredigende toepassing. Het productontwerp rekening doorgaans niet met een basismateriaalverlies. Daarom zijn kostenefficiënte corrosiebeschermingsoplossingen noodzakelijk voor koolstofstaal. In alkalische omgevingen blijft staal echter normaal stabiel. Dit verklaart waarom, bijvoorbeeld, wapeningsstaven van koolstofstaal al heel goed beschermd zijn tegen corrosie in de alkalische omgeving van de omringende beton.

Coatingbescherming van Koolstofstaal

Verschillende typen coatings worden toegepast om de corrosieweerstand van koolstofstalen te verbeteren. Coatingpraktijken variëren van oliën voor goedkope, tijdelijke bescherming tot dampafzetting voor lange-termijn corrosie-, warmte-, en slijtvasteheid. Om economische redenen moet de gewenste graad van bescherming bepaald worden voordat een coating geselecteerd wordt.

Effectieve tijdelijke bescherming tijdens verzending of opslag kan verkregen worden door het koolstofstaal te coaten met minerale olie, oplosmiddelen gecombineerd met inhibitoren, emulsies van petroleum-gebaseerde coatings, of wassen. Deze typen coatings worden aangebracht na zuurbeizen of tussen coatingsequences. Deze coatings worden niet verwacht lange-termijn corrosiebescherming te bieden.

Oppervlaktebereiding is belangrijk voor alle coatingprocessen. Elke oxide op het staaloppervlak moet verwijderd worden door beizen of straalbehandeling. Ontvetten is nodig na oxideverwijdering of wanneer het staal een tijdelijke coating heeft gekregen, en kan op verschillende manieren bereikt worden. Ideaal is de eerste stap in het coatingproces onmiddellijk na reiniging te starten.

Coatingprocessen

Deze worden gebruikt om coatings van zink, aluminium, lood, tin, en sommige legeringen van deze metalen op koolstofstalen aan te brengen. Het warm-dip proces bestaat uit het dompelen van het staal in een gesmolten bad van het coatingmetaal.

Zinkcoating of galvaniseren is een goede keuze voor de corrosiebescherming van koolstofstaal. Verschillende geschikte processen zijn beschikbaar voor de toepassing van zinkcoatings op staal. De corrosiesnelheid van zink is meer dan tien keer lager dan die van staal, op ongeveer 0,5 micrometer per jaar in landelijke/stedelijke atmospheren en stijgt tot ongeveer 5 micrometer per jaar in kustomgevingen. De lage corrosiesnelheden zijn het resultaat van de vorming van stabiele lagen van corrosieproducten die carbonaten (uit CO2 in de lucht) en chloriden (indien aanwezig in de atmosfeer) bevatten. Condities waar de vorming van dergelijke onoplosbare corrosieproducten niet mogelijk is, leiden tot veel hogere corrosiesnelheden, wat de geschiktheid van zink als beschermende coating beperkt. Deze omvatten permanent natte condities of blootstelling aan hoge concentraties industriële verontreinigingen zoals zwaveldioxide. In deze omgevingen worden oplosbare corrosieproducten preferentieel gevormd en kunnen ze door regen afgespoeld worden. Naast verlaagde corrosiesnelheden, biedt zink ook kathodische of offerbescherming aan het onderliggende staal. Waar krassen, afsplitselen of enige andere schade aan de zinkcoating het staal blootstelt, treedt een speciale vorm van galvanische corrosie op. Zink, als minder edele metaal dan staal, corrodeert preferentieel, waardoor het blootgestelde staaloppervlak beschermd blijft.

Zinkcoatings worden tamelijk homogeen verbruikt tijdens atmosferische corrosie. Dienovereenkomstig verdubbelt in een gegeven toepassing verdubbeling van de coatingdikte normaal ook de tijd tot het zink verbruikt is en rood roest op het staalsubstraat optreedt. Zink is niet stabiel in alkalische omgevingen en wordt gemakkelijk aangevallen in oplossingen met een pH-waarde van 10 of hoger.

De methoden van zinkcoatings zijn elektrolytisch galvaniseren, warm-dip galvaniseren, en sherardiseren. Sherardiseren is een methode van zinkcoating die een thermische diffusieproces gebruikt.

Aluminium warm-dip coatings (aluminiseren) bieden koolstofstalen weerstand tegen zowel corrosie als hitte. In veel omgevingen beschermt aluminium staal galvanisch op ongeveer dezelfde manier als zink. Zink-aluminium en aluminium-zink legeringen worden ook op staal toegepast door warm dippen. Verwarmen van gealuminiseerd staal resulteert in de vorming van een ijzer-aluminium intermetallische verbinding die oxidatie weerstaat tot temperaturen van ongeveer 800 °C. Gealuminiseerd staal wordt vaak gebruikt waar warmtebestendigheid nodig is, bijvoorbeeld in automobiele uitlaatsystemen.

Warm-dip tin coatings bieden een decoratieve en niet-toxische barrièrecoating. Tin beschermt het staalsubstraat niet galvanisch. Om die reden worden lakken of andere organische coatings vaak gebruikt om poriën in de tincoating te vullen en de barrièrebescherming te verbeteren.

Warm-dip loodcoatings worden soms gebruikt op staal dat blootgesteld is aan zwavelzuurdampen of andere aggressieve chemische omgevingen. Terne plaat, een lood-tin legeringscoating, geeft meer bescherming dan zuivere loodcoatings en is solderbaar.

Elektrogeplateerde coatings worden op staal aangebracht voor corrosieweerstand, uiterlijk, solderbaarheid, of andere speciale vereisten. Een wijd scala aan materialen worden op staal elektrogeplateerd, waaronder zink, aluminium, chroom, koper, cadmium, tin, en nikkel. Meervoudige laagcoatings kunnen ook door elektroplateren worden aangebracht. Een voorbeeld is het koper-nikkel-chroom plateringssysteem dat gebruikt wordt voor heldere automobiele trim.

Geklaagde Metalen

Koolstofstalen kunnen gebonden worden aan meer corrosievaste materialen, zoals koper en roestvrije stalen, door koud rolbonden, warm rolbonden, warm persen, explosiebonden, en extrusiebonden. Het resulterende gelaagde composietmateriaal heeft specifieke eigenschappen die niet verkrijgbaar zijn in een enkel materiaal.

Thermische Spuitcoatings

Deze coatings bieden effectieve lange-termijn corrosiebescherming voor stalen in een wijd bereik van corrosieve omgevingen. Ze worden aangebracht door een van verschillende processen, waaronder draad vlaamspuiten, poeder vlaamspuiten, en elektrische boog spuiten. Zink, aluminium, en zink-aluminium legeringen zijn de meest voorkomende coatingmaterialen toegepast door thermische spuittechnieken. Austenitische roestvrije stalen, aluminium-bronzen, en MCrAlY (waar M = Co, Ni of Co/Ni) coatingmaterialen zijn ook gebruikt voor specifieke toepassingen. Voor maximale corrosieweerstand worden thermisch gespoten coatings verzegeld met een organische toplaag. Thermische spuitcoatings worden vaak gebruikt voor corrosiebescherming in mariene toepassingen.

Dampafgezette Coatings

Deze worden soms gebruikt voor de bescherming van koolstofstaal, hoewel de kosten van dergelijke coatings zeer hoog kunnen zijn. Bij dampafzetting, of het nu fysieke dampafzetting (PVD) of chemische dampafzetting (CVD) is, wordt het coatingmateriaal getransporteerd naar het substraat in de vorm van individuele atomen of moleculen. Een wijd bereik van coatingmaterialen kan door dampafzetting worden toegepast. Als toegepast op een voldoende dikte, is de coating essentieel poriënvrij en dicht, wat uitstekende barrièrebescherming biedt. Een bekende toepassing voor dampafgezette coatings op staal is ionen-dampafgezet aluminiumcoatings op staal luchtvaart- en ruimtevaartcomponenten.

Fosfaat- of Chroom Conversiecoatings

Deze worden gebruikt om de corrosieweerstand van stalen te verbeteren. Op zich leveren ze iets betere corrosieweerstand dan kaal staal. Vaker worden ze in combinatie met een ander coatingsysteem gebruikt. Conversiecoatings worden aangebracht na warm-dip galvaniseren en bieden goede corrosiebescherming wanneer bovengecoat met een organisch coatingsysteem.

Bij het fosfateren, wordt het staal gedompeld in een zure oplossing met metaal (Zn, Fe) fosfaatzouten. De oplossing reageert met het staaloppervlak vormend een micro-kristallijne laag fosfaten op het oppervlak. Dit resulteert in een ruw oppervlak met uitstekende olie-vasthoudende eigenschappen.

Organische Coatings

Deze coatings bestaan uit verf, die vaker gebruikt worden voor corrosiebescherming van stalen dan elk ander type coating. Correct aangebracht, bieden verven uitstekende bescherming tegen een relatief lage kosten. Een wijd scala aan coatingmaterialen en toepassingsmethoden zijn beschikbaar voor de toepassing van de verven.

Keramische Coatings

Keramische coatings gebruikt om staal te beschermen omvatten silicaten cementen en porcelain enamels. Monolithische cementbekledingen bieden goede weerstand tegen chemicaliën en thermische isolatie. Ze kunnen aangebracht worden door gieten of spuiten. Porcelain enamels zijn glascoatings die op het staaloppervlak gesmolten worden bij of boven 425 °C om een glazuurcoating met goede corrosieweerstand en hoge hardheid te bieden. De samenstelling van het email kan gevarieerd worden om gewenste eigenschappen te bieden, zoals verbeterde weerstand tegen basen.

Overige Niet-Metalische Materialen Coatings

Deze coatings worden soms gebruikt als coatings of bekledingen voor staal in corrosietoepassingen. Deze omvatten rubberen (zowel natuurlijke als synthetische) en andere elastomeren en dergelijke kunststofmaterialen als epoxides, fenolen, en vinyls. Een wijd scala aan eigenschappen en weerstanden tegen specifieke omgevingen zijn beschikbaar. Rubberbekledingen zijn jarenlang gebruikt in staalopslagtanks voor zoutzuur en zwavelzuur. Kunststofbekledingen worden gebruikt voor galvaniseringsbakken en vergelijkbare toepassingen.

Meerlaagse Coatings

Wanneer de corrosiebescherming geboden door de metalen coating niet voldoende is, kan het staal verder beschermd worden door additionele coatings, voornamelijk organische verf met of zonder metalen vlokken. Een voorbeeld hiervan is de meerlaagse coating op bevestigingsmiddelen bestaande uit een elektro-geplateerd Zn legeringscoating met een additionele organische toplaag.