Pasivace kovů: technologie a metody.

Mnoho kovů je náchylných ke korozi, když jsou vystaveny vzduchu a vodě. Stává se zdrojem vnitřního pnutí, snížené životnosti a příčinou předčasného selhání dílů. Jednou z metod prevence/zpomalení koroze je pasivace kovu, po které se na povrchu výrobku vytvoří tenký ochranný film. Jev pasivace může nastat přirozeně nebo může být iniciován vhodným výrobním procesem. Zejména GOST 16038-2014 stanoví povinnou pasivaci různých hardwarových produktů pro kritické účely. Této ochraně podléhají i přesné měřicí přístroje a svarové švy.

Historie objevu a podstata procesu

V polovině 1800. století německý chemik Christian Schönbein zjistil, že když je železo ponořeno do roztoku koncentrované kyseliny dusičné, na povrchu kovu se nevytváří rez, zatímco železo vystavené běžnému vzduchu nebo vodě rezaví. Schönbein nazval tento nedostatek chemické reaktivity vlastností „pasivního“ stavu.

Protože, jak se později ukázalo, použití pasivace nerezové oceli kyselinou dusičnou způsobuje značné škody na zařízení a životním prostředí a také vyžaduje dodržování závažných bezpečnostních opatření, rozhodli se pro chemickou pasivaci použít buď kyselinu citronovou, nebo kyselinu dusičnou/sírovou. kyseliny, ale v roztoku s dichromanem sodným. Volba způsobu ochrany často závisí na požadavcích zákazníka.

Pro jaké kovy se pasivují?

Ke korozi dochází, když aktivní molekuly kovové slitiny reagují se svým prostředím a stávají se elektrochemicky stabilnější. V důsledku toho vznikají sloučeniny jako oxidy, hydroxidy a sulfidy. Tvorba rzi může být také způsobena určitými elektrochemickými procesy, například interakcí mezi niklem a zinkem v baterii.

Stupeň odolnosti kovů vůči korozi se určuje pomocí stupnice galvanické aktivity (viz obr. 1).

Ušlechtilé kovy – zlato, stříbro a platina – jsou chemicky stabilní, protože rychlost koroze na jejich povrchu je zanedbatelná. Například vysoké usazeniny černého stříbra jsou obvykle způsobeny sirovodíkem spíše než kyslíkem a vodou. Galvanická stupnice neboli tzv. anodický index se považuje za míru aktivního potenciálu kovů. Čím výše je kov na stupnici, tím méně je náchylný ke korozi. Naproti tomu „reaktivní“ kovy jsou chemicky méně stabilní, a proto jim umožňují reagovat se sloučeninami vyskytujícími se v prostředí. Aby se zabránilo takovým reakcím, používají se procesy pasivace kovů. Jejich působením je „utěsnění“ povrchu oxidovým filmem, který brání přístupu kyslíku a vody. Tato vrstva může být vytvořena jinými způsoby – lakováním, práškovým lakováním, kompozicemi nebo suspenzemi olejů. Pokud je však ocelový povrch mechanicky poškozen, je zničena jeho ochrana. Další věcí je chemická pasivace, při které se místo přídavných materiálů používají chemické reakce.

Pasivační technologie

Chemická pasivace je obvykle spojena se zpracováním nerezových ocelí. Podstatou procesu je, že vyvolává povrchovou korozi a vytváří tenkou vrstvu nové, nereaktivní chemické látky. Tato vrchní vrstva se pevně spojí se základním kovem a vytvoří přirozenou bariéru, která zabrání korozi následných vrstev oceli (viz obrázek 2).

Protože jsou kovy vystaveny vlivu prostředí, pokud nejsou utěsněny barvou nebo práškovým nátěrem, přirozeně korodují. Většina tenkých vrstev je složena z oxidů, kombinací kovu a kyslíku, a proto se jim říká pasivní oxidové vrstvy.

Jednou z největších výhod takových vrstev je, že pokud se přirozeně vyskytují, podobně pasivují povrch, pokud je poškrábaný nebo jinak mechanicky poškozen. K tomuto hojení dochází díky další vrstvě molekul, které se pak vážou na prvky prostředí.

Účinnost pasivních oxidových vrstev závisí na typu použitých prvků. Ne všechny vrstvy oxidu jsou ochranné: pokud je oxid dostatečně porézní, aby umožnil pronikání kyslíku, nedojde k žádné ochraně a kov pod ním bude nadále korodovat. To se děje zejména u vysoce porézního oxidu hořečnatého: molekuly kyslíku jím volně procházejí a reagují s hořčíkem pod ním.

Účinnost procesu chemické pasivace je dána také složením roztoku a prostředím. Nerezová ocel může být například napadena solí nebo sloučeninami obsahujícími železo. Přirozená pasivace je zablokována a na povrchu se objeví rez.

V takových situacích, stejně jako pokud se přirozená pasivace vyvíjí pomalu nebo nerovnoměrně, se používá tzv. nucená pasivace.

Příkladem nucené pasivace pomocí chemických prostředků je modření. Zde je jedním z oxidů železa magnetit – černý oxid (Fe₃O₄), která se neodlupuje jako rez (Fe₂O₃, viz obr. 3).

K vytvoření filmu černého oxidu v alkalických roztocích pomocí tepla lze použít řadu chemických procesů.

Technologie aktivní pasivace se skládá z několika fází:

1. Očištění výrobku od povrchových nečistot a mastnoty. Na povrchu by neměly být žádné oblasti izolované od kyselé lázně.
2. Chemická nebo elektrochemická pasivace. U nerezové oceli tento krok odstraní veškeré volné usazeniny železa, které brání vytvoření silného povrchového filmu.
3. Praní v neutrálním roztoku k odstranění stop kyseliny a zbývajícího volného železa z povrchu – jeho usazeniny by neumožnily pasivní oxidové vrstvě vytvořit souvislý ochranný film.
4. Sušení ve vlhké atmosféře, která podporuje oxidaci. Pro urychlení procesu se teplota sušení zvýší nad pokojovou teplotu a použijí se prostředky podporující vznik rzi – solná mlha, síran měďnatý nebo ferrikyanid draselný.

U nerezových ocelí pasivační vrstva nutně obsahuje oxid chromitý Cr₂O₃, protože chrom je obsažen ve většině jakostí takových ocelí (viz obr. 4).

Legující prvky jako molybden nebo křemík urychlují pasivní podporu. Je třeba poznamenat, že usazeniny železa, nadměrné teplo, kontakt s jinými kovy, solí a kyselinami mohou vrstvu oxidu poškodit.

Celkový pohled na zařízení průmyslové pasivace je na Obr. 5.

Dalším kovem vhodným pro přirozenou pasivaci je hliník. Většina (i když ne všechny) slitiny hliníku vytvoří oxid hlinitý, když jsou vystaveny vzduchu.

Když je pasivace neúčinná

Pasivace není vždy ideálním řešením. Některé druhy kovů, na rozdíl od hliníku, nelze pasivovat, protože jsou náchylné k odlupování v důsledku koroze. Na druhou stranu ani dokonale pasivovaný kov nemusí být vhodný pro použití v určitých průmyslových odvětvích. Důvody tohoto peelingu jsou následující.

Oxidy kovů, zejména rez, mohou mít větší krystalickou strukturu než jejich základní kovové molekuly. To způsobí, že oxid při interakci stoupá z povrchu, což způsobuje puchýře a odlupování (viz obrázek 6).

Oddělení oxidu od kovu vystavuje další oblast vzduchu a vlhkosti a cyklus pokračuje a koroduje povrch.

V situacích, kdy oxidy, hydroxidy nebo sulfidy mají větší povrch než kov, ze kterého jsou odvozeny, se nevytvoří pasivační vrstva.

Důvody selhání souvisí s koncentrací chemikálií, které se podílely na vytvoření pasivního filmu. Pokud byla kyselá lázeň používána delší dobu, mohly se v ní nahromadit soli. Samotné výrobky často představují problém: může na nich zůstat řezná kapalina a provedené tepelné zpracování vyvolává nerovnoměrnou změnu molekulární struktury součásti.

Pasivační technologie patří mezi moderní prostředky, které napomáhají v boji proti korozi. O nutnosti takové ochrany ví každý, kdo musí pracovat s ocelovými díly a kovovými konstrukcemi.

Je mnohem jednodušší okamžitě chránit před rzí, než řešit následky nebo hledat náhradu za zcela poškozený a nepovedený výrobek.

V tomto článku si o metodě povíme podrobněji – dotkneme se rozsahu aplikace technologie, pasivačních podmínek, fází a typů zpracovávaných materiálů. To vám dá jasnou představu o tom, co proces může dělat a kde se používá.

Co je pasivace

Toto je název pro proces zaměřený na vzhled oxidového filmu na povrchu kovového produktu.

Technologie je založena na myšlence, že kov se začíná kazit v důsledku neustálého kontaktu s agresivním prostředím, včetně vody a vzduchu.

Když se vytvoří film a přilne ke kovu, chemická aktivita suroviny se mnohem sníží. Je důležité pochopit, že použití procesu přímo souvisí s destrukcí horní vrstvy materiálu.

Postiženo je ale minimum povrchu, jen pár nanometrů. Koroze, která se objeví při kontaktu s jinými kovy nebo agresivním prostředím, se nešíří hlouběji. To pomáhá předcházet ztrátě síly a postupné destrukci.

Vzhledem k tomu, že při pasivaci dochází k chemické reakci, je důležité vybrat správné oxidační činidlo a také vzít v úvahu, které kovy jsou pro takovou úpravu vhodné a které ne. O tom všem si povíme dále.

Jak se postup provádí

Při provádění postupu je důležité sledovat shodu s procesním algoritmem.

Pasivace je rozdělena do 4 fází:

• Trénink. Nezbytné pro reakci oxidačního činidla se slitinou. Kompozici lze aplikovat až po přípravě povrchu. Část je umytá a odmaštěná. Neměly by zde být žádné stopy barvy, rozpouštědel nebo jiných cizích chemikálií, které by mohly narušit reakci. Povoleno je i broušení, při kterém se vyhladí drobné nerovnosti. Po vysušení a kontrole kovového výrobku přejděte k další fázi.
• Aplikace oxidačního činidla. V práci se používají různé druhy činidel, které vytvářejí na produktu ochranný film. V jeho složení dominují oxidační produkty a sůl – to je pro materiál bezpečné, ale samotné ochranné indikátory se výrazně zvyšují. Stupeň účinnosti pasivace bude záviset na tom, zda odborníci pečlivě přistoupili k procesu a jaké kompozice použili. Zohledňuje se receptura roztoku a typ slitiny. V průmyslu se při pasivaci dobře osvědčují vysoce legované oceli včetně chromniklu. U karbonových odrůd je to obtížnější – tvoří se na nich sice ochranný film, ale méně vydrží.
• Čištění povrchu. Standardní mytí se provádí za účelem odstranění solí zadržených na jeho povrchu z produktu.
• Neutralizace oxidů. Provádí se pomocí dvou nebo tříprocentního roztoku amoniaku. Obsahuje také hydroxid sodný a kyselinu olejovou. Zpracování netrvá déle než tři minuty. Postup vyžaduje udržení stálého ohřevu média na teplotu 90 stupňů.

Pasivační efekt se rychle projeví. Na povrchu výrobku se objeví oxidovaná vrstva s charakteristickou barvou. Jsou oceli, které časem začnou tmavnout a jsou i takové, u kterých je možné zachovat určitý odstín.

Vlastnosti řešení používaných v procesu

Jak jsme uvedli výše, během pasivace dochází k chemické reakci. To znamená, že specialista potřebuje vědět, s jakou slitinou a řešením pracuje.

V níže uvedené tabulce popisujeme vlastnosti řešení a typy ocelí, se kterými pracují:

Řešení

Typ slitiny

Kyselina sírová a dusičná.

Vysoce legované slitiny odolné proti korozi.

Kyselina dusičná, dichroman draselný.

Kyselina fosforečná, anhydrid kyseliny chromové.

Hydroxid sodný, anhydrid chromitý, dichroman draselný.

Třída slitiny také ovlivňuje teploty používané při práci a dobu trvání procesu. Standardní rozsah ohřevu pro zpracování je od 18 do 90 stupňů. Krátké procesy trvají asi tři minuty, ale složité úkoly mohou trvat až hodinu.

S teplotou souvisí i rychlost procesu.

Druhy řízení

Výše jsme se podívali na to, u kterých kovů je pasivace odolnější vůči korozi. Nyní je čas rozhodnout o typu použitého procesu.

Existují dva hlavní typy procedur:

• Elektrochemické. V tomto případě se na kov aplikují jak elektrolyty, tak soli, stejně jako kyselé roztoky. Tímto procesem je možné vytvořit na povrchu nabité částice a dosáhnout jejich postupného usazování. Pokud je proces proveden správně, na materiálu se objeví rovnoměrný a odolný ochranný film. Proces využívá proud.
• Chemické. V tomto případě se používají speciální chemická činidla. Obsahují prvky jako nikl a chrom. Samotná aplikace se provádí nástřikem, případně namáčením do nádobky naplněné roztokem. Výhodou tohoto přístupu je, že samotný kov se stává tvrdším. Elektrolyt se zahřívá.

Vlastnosti zpracování různých druhů materiálů

Podívejme se na příklady pasivace pomocí běžných kovů.

• Ocel. Pasivace oceli se aktivně používá ve výrobě. Použití tohoto přístupu je spojeno s nutností důkladného odmaštění povrchu. Bylo prokázáno, že technologie pomáhá prodloužit maximální dobu používání materiálu a jeho ochranu před vnějšími agresivními faktory.
• Měď. V této práci jsou použity roztoky chrómu. Není tak snadné vytvořit na mědi film s vysokou hustotou, ale toto jsou řešení, která k tomu pomáhají. Samotná ochranná vrstva je přitom odolná a neopotřebovává se.
• Zinek V poslední době se stále více rozšiřuje. Produkty zinku jsou obvykle tenké, takže je důležité, aby film nebyl příliš silný. Oxidační proces ovlivňuje povrch. Díky tomu jsou zachovány všechny vlastnosti výrobku.
• Železo Při použití železa je vysoké riziko koroze. Standardním pasivačním činidlem je roztok kyseliny sírové. Podporuje tvorbu tenkého filmu, což umožňuje použití železných dílů venku se zárukou vysoké úrovně ochrany.

Oblasti použití technologie

Metoda se osvědčila v následujících případech:

• Zbarvení. Na vytvořenou ochrannou vrstvu lze snadno aplikovat polymerní sloučeniny. Tak lze dosáhnout nejen zvýšené odolnosti proti korozi, ale také odmašťování.
• Výroba parních turbín a dalších produktů ve styku s párou zahřátou na vysoké teploty. V tomto případě je možné zpracovat nerezovou ocel. Důvodem je, že dodává sílu, i když agresivní prostředí musí být v neustálém kontaktu. Obzvláště dobře to funguje na příkladu ochrany nejzranitelnější části konstrukce – svarů.
• Zubní výrobky je nutné chránit před korozí. Pasivace se v průmyslu používá k vytvoření dvousložkových implantátů. Takto se ošetřují speciální nosné části implantátů, čepy, na které se nasazuje korunka. Toto opatření zajišťuje, že v pacientově čelisti nedojde k postupnému kolapsu základny.
• Dekorace. Vytvořením speciálního filmu na výrobku jej lze nejen chránit před rzí, ale také zkrášlit. Důvodem je barva povrchové vrstvy a její příjemné duhové odstíny.

Technologie je rozšířená a postupem času se stává populárnější. To nejsou všechny příklady jeho použití v průmyslu.

Naše společnost je připravena nabídnout i další způsob protikorozní ochrany – zinkování výrobků na kvalitním zařízení.

Vše, co musíte udělat, je kontaktovat nás telefonicky nebo zanechat požadavek na webu.