Пассивация металлов:предотвращение активации железа и стали

Химические слои, защищающие металл от коррозии

Многие металлы подвержены коррозии при контакте с воздухом и водой. Коррозия может вызвать напряжение металла и разрушение деталей, поэтому металлурги ищут способы победить ее. Одним из таких методов является пассивация металла, менее известный метод защиты поверхности от коррозии, в котором в качестве герметика используется тонкий химический слой. Пассивация может происходить естественным образом или поощряться производственными процессами.

Что такое коррозия?

Коррозия металла возникает, когда молекулы активного металлического сплава вступают в реакцию с окружающей средой, становясь более электрохимически стабильными. Оксиды, гидроксиды и сульфиды являются основными соединениями коррозии. Простое воздействие может привести к реакции, похожей на ржавление железа в воде и воздухе. Электрохимические процессы также могут вызывать реакцию, например гальваническую коррозию между никелем и кадмием в батарее.

Есть металлы, устойчивые к коррозии. Благородные металлы, такие как золото, серебро и платина, химически стабильны во многих условиях. Благородные металлы не защищены от коррозии, но этот процесс происходит медленно или с менее распространенными молекулами. Например, густой черный налет серебра обычно вызван сероводородом, а не кислородом и водой. Металлурги проверяют активный потенциал металлов с помощью гальванической шкалы или анодного показателя. Верхние менее подвержены коррозии.

«Активные» металлы или металлы, находящиеся ближе к нижней части шкалы, химически менее стабильны и, следовательно, более склонны к реакции с другими элементами в окружающей среде. Чтобы предотвратить это, используются активные или пассивные процессы для уменьшения коррозии. Эти процессы обычно работают, «запечатывая» металл верхним слоем, предотвращая доступ воздуха и воды к металлу под ним. Слой может быть искусственным:краска, порошковое покрытие и масло — все это обычные герметики. Однако если их поцарапать, внутрь проникнет коррозия.

Другой вариант, используемый для герметизации металла, — химический, при котором вместо искусственных материалов используются химические реакции. Одним из химических процессов является пассивация.

Что такое пассивация?

Пассивирование, обычно связанное с нержавеющей сталью, представляет собой метод обработки, защищающий металл от коррозии путем превращения материала в «пассивного» по отношению к окружающей среде. Пассивация, возможно, вопреки здравому смыслу, способствует возникновению коррозии на поверхности, создавая тонкий слой нового нереакционноспособного химического вещества. Этот верхний слой остается прочно связанным с металлом, создавая естественное уплотнение, которое предотвращает коррозию элементов последующих слоев металла. Металл пассивируется, когда каждая поверхность покрыта прочно связанным коррозионным слоем. Этот слой может формироваться естественным образом (пассивно) с течением времени, но производители также могут его активно стимулировать.

История пассивации

Пассивация была открыта учеными, проводившими электрохимические эксперименты, но они не сразу осознали полезность процесса для общего использования. В 1790 году химик Джеймс Кейр заметил, что ванна с сильной азотной кислотой не вызывает коррозии железа. Он отметил, что когда тот же раствор разбавляли водой, железо немедленно подвергалось коррозии, образуя бурлящий раствор темно-коричневой воды. К 1836 году швейцарский химик Кристиан Фридрих Шёнбейн уточнил эксперимент. Он продемонстрировал, что кусок железа, погруженный в слабую азотную кислоту, растворяется и выделяет водород, как заметил Кейр. Тем не менее, если железо сначала погрузить в сильную кислоту, оно сможет выдержать разбавленную кислоту. Коррозионные элементы воды, казалось, сдерживались, по крайней мере, некоторое время.

Майкл Фарадей, британский электрохимик, первым описал почему. Он предположил Шенбейну, что оксидная кожа, созданная сильной кислотой, может вызвать пассивное состояние. По мере того, как химики и металлурги исследовали идею химической «кожи», они искали методы производства или улучшения пассивации, а также сплавы, которые органически создавали бы пассивные уплотнения.

Пассивные оксидные слои

Поскольку металлы подвергаются воздействию окружающей среды, если их не заблокировать краской или порошковым покрытием, они будут подвергаться естественной коррозии, создавая кожу или герметизирующий слой. Большинство пассивных пленок состоят из оксидов, комбинаций металла и кислорода, поэтому они называются пассивными оксидными слоями.

Одно из самых больших преимуществ пассивных оксидных слоев заключается в том, что когда они возникают естественным образом, они также естественным образом «заживают», если поверхность металла поцарапана или иным образом повреждена, поскольку следующий слой молекул затем связывается с элементами окружающей среды. /Р>

Эффективность пассивных оксидных слоев зависит от типа задействованных элементов. Не все оксидные слои являются защитными:если оксид достаточно пористый, чтобы через него мог проходить кислород, то уплотнения не образуется, и металл под ним будет продолжать подвергаться коррозии. Например, оксид магния образует слой с высокой поверхностной пористостью, который не останавливает коррозию. Молекулы кислорода все еще проходят и реагируют с находящимся под ними магнием.

Кроме того, элементы в окружающей среде также имеют значение. Нержавеющая сталь, например, может подвергаться воздействию солевых или железных отложений. Если общий химический состав поверхности перестанет пассивироваться естественным образом, появится ржавчина.

Принудительная пассивация

Для некоторых сплавов естественная пассивация может занять много времени; у других он может развиваться неравномерно, с вариациями зерна металла или наличием поверхностных отложений. Металлурги разработали методы активной пассивации, чтобы ускорить и стандартизировать процесс для создания продуктов, пригодных для немедленного использования.

Воронение пистолета было ранним примером принудительной пассивации с помощью химических производственных средств. Одним из оксидов железа является магнетит, черный оксид (Fe3O4), и этот оксид не отслаивается так, как ржавчина (Fe3O3). Для создания этих черных оксидов можно использовать несколько химических процессов с использованием тепла и щелочных растворов. Однако, хотя воронение и защищает от коррозии, в нормальных условиях поврежденный слой не «заживает». Таким образом, воронение — это промышленный герметик, который требует обслуживания и ухода.

Сегодня обычные методы активной пассивации состоят из нескольких этапов:

• Очистка предмета от поверхностного масла и загрязнений. Не должно быть участков, изолированных от кислотной ванны внешним покрытием.
• Пассивирование в ваннах с азотной или лимонной кислотой или с помощью электрохимического процесса. Для нержавеющей стали на этом этапе удаляются любые свободные отложения железа, которые препятствуют образованию на нержавеющей стали прочной пассивной пленки. На микроскопическом уровне отложения свободного железа не позволили бы пассивному слою оксида хрома сформировать непрерывное уплотнение. Пассивирующий слой после ванны с азотной кислотой выполнен из Cr2O3.
• Ополоснуть предмет от всех следов раствора кислоты, забрав с собой оставшееся свободное железо.
• Элемент помещают в условия, способствующие окислению. Условия включают сочетание повышенной температуры и влажности, а также использование средств, способствующих образованию ржавчины, таких как соляной туман, сульфат меди или феррицианид калия.

Нержавеющая сталь и другие самопассивирующиеся сплавы

Нержавеющая сталь — это прочный металл, обладающий коррозионной стойкостью за счет естественной пассивации. С момента его изобретения в 1913 году многие отрасли промышленности стали полагаться на металл. Однако отсутствие ржавчины не гарантируется.

Нержавеющая сталь, как и другие стали, в основном состоит из железа и углерода. Революционным дополнением к сплаву является хром. Хром на воздухе быстро образует пассивный оксидный слой, который герметизирует железо и защищает его. Различные марки нержавеющей стали содержат разные вспомогательные металлы:молибден, кремний и другие компоненты, которые обеспечивают пассивную поддержку для различных применений. Некоторые марки лучше справляются с теплом, другие — с устойчивостью к коррозии из-за соли:химический состав сплава меняет его поведение в различных условиях. Отложения железа, нагревание, контакт с другими металлами, солью и кислотами могут повредить оксидный слой.

Алюминий – это еще один металл, который естественным образом пассивируется. Оксид алюминия образуется на большинстве (хотя и не на всех) алюминиевых сплавах при контакте с воздухом, что делает поверхность самозащитной. Оксид алюминия может подвергаться воздействию соли, электрохимического стресса или захваченной влаги. Как в случае с нержавеющей сталью, так и из алюминия производственные процессы помогают создавать пассивные слои большей толщины или однородности, чем это может быть естественным образом.

Стандарты пассивации нержавеющей стали и алюминия

Нержавеющая сталь и алюминий являются самопассивирующими материалами, но они не защищены от коррозии. Неравномерность зерна, созданная в результате производства или термической обработки, может привести к слабости. Поверхностные отложения масла или других химикатов также могут нарушить пассивную пленку. Для обеспечения качества марок нержавеющей стали и алюминия в настоящее время существуют стандартные процессы и тесты пассивации.

Спецификации ASTM A380 и A967 устанавливают стандарты и процедуры проверки качества для пассивации нержавеющей стали с использованием азотной кислоты, лимонной кислоты или электрических средств.

Хром иногда используется для пассивации других материалов, но чаще наносится, а не встраивается в сплав. Процесс, называемый преобразованием хрома, используется для алюминия и других металлов, таких как цинк и никель. В этой технике на металлическую поверхность наносится хромовый гель. Химическое вещество связывается с поверхностью металла, создавая пассивный слой, демонстрирующий высокую коррозионную стойкость. Царапина до пассивации конверсии хрома подвергнется процессу самовосстановления. Хром вокруг царапины перемещается, чтобы связать и воссоздать пассивирующий слой. Однако размер царапины должен быть достаточно мал, чтобы это было возможно с окружающим хромом.

Травление и пассивация нержавеющей стали

Пассивация стали — это процесс, в котором используется кислотная ванна, чтобы оставить оксидный слой. Травление — это еще одна обработка в кислотной ванне, но она имеет противоположную цель:при травлении используется кислота для удаления оксидов с поверхности металла.

Когда оксиды покрывают поверхность металла, изделие становится сложнее обрабатывать. Оксиды вызывают большую нагрузку на наконечники инструментов и могут помешать попыткам запечатать поверхность краской или порошковым покрытием. Травление удаляет все оксиды, в том числе те, которые работают как пассивный слой. Сталь и железо обычно протравливают.

При производстве металлической детали ее можно протравить, обработать, а затем пассивировать.

Электрополировка нержавеющей стали и других металлов

Электрополировка — это этап финишной обработки металла, при котором удаляются заусенцы и сглаживаются, оставляя блестящую чистую поверхность. Его можно использовать на многих металлах, в том числе на тех, пассивация которых не рекомендуется, например на меди. На пассивированном металле гладкая поверхность может создавать непрерывные упругие пассивные слои.

Объект, подлежащий электрополировке, получает положительный заряд и погружается в ванну с электролитом. Окружающие катоды оттягивают поверхностные молекулы от объекта, сбривая его верхний слой. Зубчатые выступы отдираются в первую очередь. Как на макроскопическом, так и на микроскопическом уровне электрополированный металл имеет мало неровностей или щелей.

При электрополировке нержавеющей стали предпочтительно удаляется железо, оставляя на поверхности больше хрома. Гладкая, непрерывная поверхность, не содержащая железа, естественным образом способствует прочному пассивирующему слою на нержавеющей стали.

Когда пассивация не удалась

Пассивация не всегда является идеальным решением; потенциальные проблемы охватывают широкий диапазон переменных. Некоторые типы металлов не могут пассивироваться, потому что металл отслаивается при коррозии. Если металл структурно способен пассивироваться, во время обработки в кислотной ванне что-то может пойти не так. С другой стороны, даже полностью пассивированный металл может оказаться непригодным для использования в определенных отраслях — химия может вызвать проблемы в электрохимических приложениях.

Почему некоторые металлы отслаиваются при коррозии?

Оксиды металлов могут иметь более крупную кристаллическую структуру, чем составляющие их молекулы металлов. Например, оксид железа (III), красный побочный продукт коррозии, более известный как ржавчина, имеет более крупную структуру и, следовательно, большую площадь поверхности, чем элементарное железо, которое его производит. Эта большая площадь поверхности заставляет оксид подниматься с поверхности металла под ним, вызывая пузырение и отслаивание. Отделение оксида от металла подвергает следующий слой воздействию воздуха и влаги, и цикл продолжается, разъедая поверхность.

В ситуациях, когда оксиды, гидроксиды или сульфиды имеют большую площадь поверхности, чем металл, из которого они получены, пассивирующий слой не образуется.

Пассивные флеш-атаки

Иногда производитель обнаруживает, что в партии пассивирующих элементов один или несколько чернеют и начинают травиться даже в ванне с сильной азотной кислотой. Это активное состояние известно как «мгновенная атака». Это может сбивать с толку, так как иногда он может атаковать одни предметы, но оставлять другие в одной и той же корзине.

Причины внезапной атаки связаны с консистенцией химических веществ, участвующих в создании пассивной пленки. Если ванна с азотной кислотой использовалась в течение длительного времени, в ней могли скопиться соли или вода. Сами детали часто представляют собой проблему:на деталях машин может остаться смазочно-охлаждающая жидкость, или термообработка или термоконтроль во время обработки могут неравномерно изменить молекулярную структуру детали. Также могут быть включения или несоответствия в самом сплаве.

Избегайте пассивации

Бывают случаи, когда пассивация может вызвать проблемы с правильным функционированием металлической детали.

Для электрохимической обработки часто требуются металлические катоды и аноды для пропускания электрического тока через раствор. Эти системы могут способствовать образованию оксидов, которые прилипают к внешней стороне катодов. По мере того как катоды загрязняются оксидами, система становится менее эффективной.

В этих системах пассивация является проблемой. Переключение полярности иногда решает проблему. Противоположные импульсы электричества позволяют оксидам отпадать от катодов. Оксидный шлак или шлак могут отпадать и не мешать электрохимической активности процесса.

Пассивирующие слои для герметизации и защиты

Многие металлы реагируют с окружающей средой с образованием оксидов, гидроксидов или сульфидов. Эти продукты коррозии возникают сходным образом, но имеют разные свойства.

Потускнение серебра, медленно возникающее при соединении серебра с сульфидами в воздухе, работает как пассивный слой. Он тускнеет на поверхности металла и часто полируется. Для сравнения, зеленая патина меди, или медянка, часто является эстетической наградой за глубину и диапазон зеленого цвета, который она производит. Ярь-медянка представляет собой смесь карбонатов, сульфидов, сульфатов и хлоридов, образующихся в результате реакции меди на кислотные дожди или углекислый газ. Ржавчина, наиболее распространенный оксид железа, дает оранжевый или кирпично-красный пигмент. В отличие от зелени, за ним нужно тщательно следить, чтобы пузырящаяся поверхность не позволяла металлу под ним ржаветь.

Пассивирующие слои герметизируют и защищают металлический объект от дальнейшего окисления. В пассивных слоях на основе хрома, таких как нержавеющая сталь, эта пленка часто бывает достаточно тонкой, чтобы не изменять внешний вид поверхности или функцию металла. Тонкая пассивация часто изменяет металл только в очень специфических условиях, таких как сварка, механическая обработка или в электрохимических системах. Наибольшее преимущество, обеспечиваемое самопассивирующими металлами, — это способность к «самовосстановлению». Для максимальной защиты от коррозии сочетайте самопассивирующийся металл с нанесенным герметиком, таким как масло, порошковое покрытие или краска.