Čelik je jedan od najčešće korištenih inženjerskih materijala u građevinarstvu, proizvodnja, prevoz, i infrastrukturu. Njegova popularnost dolazi od kombinacije snage, svestranost, i isplativost kojoj se može parirati malo materijala.
Od konstrukcijskih okvira i mostova do mašina i cjevovoda, čelik i dalje služi kao okosnica moderne industrije.
Ali čelik nije imun na koroziju. U stvari, korozija je jedan od najvažnijih faktora koji određuje koliko dugo čelična komponenta može ostati sigurna, funkcionalan, i ekonomičan u servisu.
Jasno razumevanje korozije je neophodno za inženjere, fabricators, izvođači radova, i menadžeri imovine podjednako.
Što bolje razumete kako čelik korodira, to bolje možete izabrati pravu ocenu, pravi sistem zaštite, i odgovarajuću strategiju održavanja.
Evo sedam ključnih tačaka koje bi svaki korisnik čelika trebao znati.
1. Čelik nije prirodno otporan na koroziju
Plain Carbon čelik nije materijal otporan na koroziju. Njegova glavna komponenta je gvožđe, a gvožđe lako reaguje sa kiseonikom i vlagom.
Kada je izložen atmosferi, čelik počinje oksidirati i stvarati rđu, koji se uglavnom sastoji od hidratiziranih željeznih oksida i hidroksida, uključujući hidratizirani željezni oksid (Fe2O3⋅nH2O), gvožđe oksihidroksid (FeO(Oh)) i željeznog hidroksida (FE(Oh)3).
Za razliku od stabilnih oksidnih filmova formiranih na nekim metalima, rđa je porozna, slab, i bez zaštite.
Ne zatvara površinu. Umjesto toga, omogućava kiseoniku i vodi da stalno stignu do osnovnog metala.
Kao rezultat, korozija se nastavlja širiti, izlažući više svježeg čelika i ubrzavajući gubitak materijala tokom vremena.
Zbog toga se ne može pretpostaviti da će nezaštićeni čelik ostati izdržljiv na otvorenom ili vlažnom okruženju.
Bez odgovarajućeg premaza ili strategije za kontrolu korozije, korozija nije moguća; to je prirodni ishod.
2. Legiranje može značajno poboljšati otpornost na koroziju
Zašto je običan čelik ranjiv
Osnovni čelik je uglavnom željezo, a gvožđe je hemijski aktivno u prisustvu kiseonika i vlage. To znači da nelegirani ili lagano legirani čelik nema ugrađenu zaštitu od korozije.
Nakon što se površinski film razbije, korozija može nastaviti da napreduje jer je sloj hrđe formiran na običnom čeliku labav, porozna, i nije u stanju da izoluje supstrat od okoline.
Ovo je osnovni razlog zašto je dizajn legure toliko važan u inženjerstvu čelika. Otpornost na koroziju nije samo površinski problem; počinje unutrašnjom hemijom metala.
Kako legiranje mijenja ponašanje čelika
Dodavanjem odabranih legirajućih elemenata, čelik se može transformisati iz materijala sklonog koroziji u materijal otporan na koroziju.
Ključna ideja je da određeni elementi potiču stvaranje stabilnijeg površinskog filma, poboljšati otpornost čelika na agresivne medije, ili usporavaju elektrohemijske reakcije koje dovode do gubitka metala.
Legiranje ne eliminiše koroziju u svakom okruženju, ali može premjestiti čelik iz materijala koji mora biti jako zaštićen u onaj koji može preživjeti dug rad uz mnogo manje održavanja.
Hrom: temelj od nerđajućeg čelika
Krom je najvažniji legirajući element kada je cilj otpornost na koroziju.
Kada je dovoljno hroma prisutno u čeliku, reaguje sa kiseonikom i formira veoma tanak, gusto, i stabilan oksidni film na površini.
Ovaj pasivni film je osnovni razlog nehrđajući čelik tako efikasno odolijeva rđi.
Film nije samo prepreka. Takođe se samopopravlja. Ako je površina izgrebana ili oštećena, hrom može ponovo brzo reagovati sa kiseonikom i obnoviti zaštitni sloj.
Ovo ponašanje samoizlječenja je ono što čini nehrđajući čelik fundamentalno drugačijim od ugljičnog čelika u upotrebi.
Nikl: poboljšanje stabilnosti i čvrstoće
Nikl se često dodaje nehrđajućem čeliku kako bi se stabilizirala austenitna struktura i poboljšala ukupna žilavost, duktilnost, i korozijsko ponašanje.
U mnogim vrstama nerđajućeg čelika, nikl pomaže materijalu da ostane stabilan u širokom rasponu okruženja i poboljšava performanse tokom oblikovanja, zavarivanje, i servis na niskim temperaturama.
Nikl ne zamjenjuje ulogu hroma. Umjesto toga, jača ukupni sistem otporan na koroziju pomažući čeliku da održi povoljniju mikrostrukturu.
Molibdenum: jačanje otpornosti na hloride
Molibden je posebno vrijedan u sredinama koje sadrže hlorid, kao što je morska atmosfera, izlaganje morskoj vodi, Hemijska obrada, i industrijske sredine bogate soli.
Pomaže nehrđajućem čeliku da se odupre koroziji udubljenja i pukotina, koji su među najopasnijim oblicima korozije jer se mogu razviti lokalno i duboko prodrijeti uz malo vidljivog upozorenja.
Zbog toga se često odabiru klase koje sadrže molibden kada obični nehrđajući čelik nije dovoljan. U praksi, ovaj element često čini razliku između prihvatljive i nepouzdane usluge u agresivnom okruženju.
Ostali korisni legirajući elementi
Ostali legirajući elementi također doprinose otpornosti na koroziju i performansama u radu:
Mangan može podržati ravnotežu legure i pomoći u zamjeni nikla u nekim razredima.
Azot može poboljšati čvrstoću i poboljšati lokaliziranu otpornost na koroziju kod određenih nehrđajućih čelika.
Silicijum može poboljšati otpornost na oksidaciju u primjenama na povišenim temperaturama.
Bakar može poboljšati otpornost u određenim blago korozivnim medijima i koristi se u nekim specijalnim razredima.
Svaki element igra različitu ulogu, ali šira ideja je ista: otpornost na koroziju je projektovana, nije slučajno.
Legiranje se poboljšava, ali ne čini čelik nepobjedivim
Čak i visokolegirani nehrđajući čelik ima ograničenja. Jake kiseline, visoke koncentracije hlorida, uslovi pukotina, loša završna obrada površine, i zone zavarivanja pod utjecajem topline mogu ugroziti performanse.
Legiranje poboljšava otpornost, ponekad dramatično, ali okolina i dalje kontroliše konačni rezultat.
Zbog toga odabir materijala mora uvijek odgovarati uvjetima servisiranja.
Kvalitet koji se dobro ponaša u zatvorenom prostoru može biti nedovoljan u morskoj vodi, i klasa koja radi u morskoj vodi još uvijek može pokvariti u jako kiselom ili loše održavanom sistemu.
3. Okruženje bogato hloridima je posebno agresivno
Jedno od najštetnijih okruženja za čelik je izlaganje hloridima.
Salt sprej, morska voda, soli za odmrzavanje, i određeni industrijski procesni fluidi mogu napasti zaštitne oksidne filmove i izazvati lokaliziranu koroziju.
Hloridni joni su posebno opasni jer ometaju pasivizaciju i mogu potaknuti koroziju udubljenja i pukotina.
Umjesto da uzrokuje glatko, ravnomeran gubitak metala, hloridi često stvaraju male, duboka mjesta korozije koja je mnogo teže otkriti i opasnija po integritet konstrukcije.
Zbog toga se obični nehrđajući čelici mogu boriti u pomorskoj ili obalnoj službi, dok klase koje sadrže molibden kao npr 316 često se biraju zbog bolje otpornosti na hloride.
U veoma teškim uslovima, čak i nerđajući čelik mora biti uparen sa odgovarajućim premazom, detalj dizajna, i plan održavanja.
4. Zavarene oblasti su često najugroženije
Zavareni spoj rijetko je isti kao osnovni metal oko njega. Zavarivanje stvara zonu pod utjecajem topline s promijenjenom mikrostrukturom, preostali stres, a ponekad i smanjenu otpornost na koroziju.
Od nerđajućeg čelika, jedno klasično pitanje je senzibilizacija, gdje se krom karbidi mogu formirati blizu granica zrna i smanjiti hrom dostupan za pasivizaciju.
Ovo može učiniti zavareni dio podložnijim intergranularnoj koroziji ili pucanju od korozije pod naponom, posebno ako je unos topline previsok ili se koristi pogrešan materijal za punjenje.
Čak i kada je sam zavar jak, lokalno ponašanje korozije može biti slabije od očekivanog.
Zato zavarivanje nerđajućeg čelika nije samo operacija spajanja. To je kontrolirani metalurški proces koji mora uzeti u obzir odabir punila, Toplotni ulaz, čišćenje nakon zavarivanja, i, gdje je potrebno, tretman nakon zavarivanja.
5. Kontaminacija od običnog željeza može oštetiti nehrđajući čelik
Nerđajući čelik mora ostati čist ako želi da radi kako je predviđeno. Kontakt sa običnim alatima od ugljeničnog čelika, čestice gvožđa, ili kontaminirane radne površine mogu unijeti slobodno željezo na nehrđajuću površinu.
Ta kontaminacija može poremetiti pasivni film i stvoriti lokalizirane mrlje od hrđe ili područja sklona koroziji.
Ovo nije isto što i galvanska korozija između dva različita metala; to je problem kontaminacije.
Čak i kratak kontakt s prljavim alatom ili čeličnom prašinom za brušenje može ostaviti čestice ugrađene u površinu.
Ako te čestice oksidiraju, čine da nerđajući čelik izgleda kao da korodira, iako je problem počeo sa kontaminacijom.
Iz tog razloga, proizvodnja nerđajućeg čelika zahteva strogu disciplinu u radnji. Namjenski alati, čiste radne površine, i pravilno čišćenje površine nisu obavezni; dio su kontrole korozije.
6. Ujednačena korozija je obično manje opasna od lokaliziranog napada
Ne ponaša se svaka korozija na isti način. Ujednačena korozija uklanja materijal više ili manje ravnomjerno po površini, što je često vizuelno neprijatno, ali relativno predvidljivo.
Zato što se šteta širi, lakše je pregledati, mjera, i upravljati.
Nasuprot tome, lokalizirana korozija kao što je korozija udubljenja ili pukotina može biti daleko ozbiljnija.
Može se činiti manjim na površini dok stvara duboku penetraciju ispod površine.
U strukturalnim aplikacijama ili aplikacijama koje sadrže pritisak, ta vrsta skrivene štete može dovesti do iznenadnog kvara.
To znači da sam izgled nije dovoljan za procjenu rizika.
Zahrđala površina može još imati vremena ako je korozija ujednačena i praćena, dok čista nehrđajuća komponenta može i dalje imati skriveni lokalizirani napad ako je okruženje ozbiljno i kvaliteta je loše odabrana.
7. Čelik može biti zaštićen višestrukim sistemima za kontrolu korozije
Kontrola korozije je sistem, niti jedan proizvod
Korozija čelika se ne upravlja jednim univerzalnim rješenjem.
U praksi, otpornost na koroziju postiže se kombinovanjem Izbor materijala, površinska zaštita, detalji dizajna, ekološka izolacija, i strategiju održavanja.
Zbog toga čelik ostaje tako široko korišten inženjerski materijal: iako može lako korodirati, takođe se može efikasno zaštititi na mnogo različitih načina.
Najvažnija ideja je da zaštita od korozije treba da bude usklađena sa radnim okruženjem.
Zakopani cjevovod, pomorska platforma, okvir unutrašnje mašine, i rezervoaru za preradu hrane potrebne su različite strategije. Ono što radi za jednu aplikaciju može biti neefikasno ili čak neprikladno za drugu.
Sistemi premaza: prva i najčešća odbrana
Sistemi premaza su najčešći način zaštite ugljičnog čelika. Njihova je svrha da odvoje čeličnu površinu od kisika, vlage, sol, i hemikalije.
Tipični putevi premaza uključuju:
| Način zaštite | Glavni princip | Tipična prednost | Tipično ograničenje |
| Sistemi bojanja | Stvorite barijeru između čelika i okoliša | Fleksibilan, ekonomičan, u širokoj upotrebi | Može se oštetiti udarcem, abrazija, ili loša priprema površine |
| Praškasto premazivanje | Termički očvršćena polimerna barijera | Izdržljiv i vizuelno čist | Zahtijeva kontroliranu primjenu i manje je pogodan za vrlo velike strukture |
| Pocinčavanje | Cink pruža barijeru i žrtvu zaštitu | Snažne performanse vanjske korozije | Izgled površine je industrijski; za popravku i doradu potrebna je njega |
| Prskanje metala / Termalni sprej | Nanosi zaštitni metalni sloj | Dobro za teške usluge | Specijaliziraniji i intenzivniji za opremu |
| Fosfat / prevlake za konverziju | Poboljšava stanje površine i adheziju boje | Korisno kao predtretman | Obično nije samostalno rješenje protiv korozije |
Žrtvovana zaštita: korištenjem aktivnijeg metala za zaštitu čelika
Jedna od najmoćnijih metoda za kontrolu korozije čelika je žrtvena zaštita.
U ovom pristupu, reaktivniji metal se stavlja u kontakt sa čelikom tako da zaštitni metal prvi korodira.
Najpoznatiji primjer je cink. Cink je aktivniji od gvožđa, pa kada su oba izložena u korozivnom okruženju, cink preferirano korodira i štiti čeličnu podlogu.
Ovo je princip iza pocinčavanja i mnogih zaštitnih sistema na bazi cinka.
Žrtvovana zaštita je posebno vrijedna u vanjskim okruženjima jer nastavlja djelovati čak i ako je premaz izgreban ili oštećen. To ga čini robusnijim od čisto dekorativnog barijernog premaza u mnogim terenskim uslovima.
Katodna zaštita: neophodan za ukopani i potopljeni čelik
Za podzemne cjevovode, tenkovi, Morske strukture, i potopljene komponente, Katodna zaštita se često koristi.
Ova metoda pomjera elektrokemijsko ponašanje čelika tako da sam čelik postaje zaštićena katoda u krugu od korozije.
Postoje dva glavna oblika:
Katodna zaštita od žrtvene anode
Aktivniji metal kao što je cink, magnezijum, ili je aluminijum pričvršćen na čeličnu konstrukciju. Anoda korodira umjesto čelika.
Katodna zaštita sa impresivnom strujom
Eksterni izvor napajanja pokreće zaštitnu struju u strukturu, čineći ga katodnim i suzbijajući koroziju.
Katodna zaštita je posebno efikasna za velike konstrukcije kod kojih sam premaz nije dovoljan.
U mnogim sistemima, koristi se zajedno sa premazima, jer premaz smanjuje trenutnu potražnju, a katodni sistem štiti sve izložene površine.
Legura: ugradnja otpornosti u sam metal
Drugi način kontrole korozije je korištenje legure koja je inherentno otpornija od običnog ugljičnog čelika.
Nehrđajući čelik je klasičan primjer, ali čelici protiv vremenskih utjecaja i drugi niskolegirani slojevi također pokazuju kako sastav može promijeniti ponašanje korozije.
Legiranje je moćno jer ne štiti samo površinu; menja sam materijal. Od nerđajućeg čelika, hrom stvara pasivni film otporan na rđu.
U drugim porodicama čelika, odabrani dodaci mogu poboljšati otpornost na oksidaciju, zadržavanje snage, ili ponašanje u određenim okruženjima.
To čini legiranje posebno korisnim kada je ponovno održavanje teško ili kada dio mora dugo služiti u zahtjevnom okruženju.
8. Zaključak
Čelik je jedan od najprilagodljivijih materijala ikada razvijenih, ali korozija ostaje njegovo centralno ograničenje u mnogim okruženjima. Obični ugljični čelik lako hrđa osim ako nije zaštićen.
Nehrđajući čelik otporan je na koroziju formiranjem samozacjeljujućeg pasivnog filma, ali i dalje može propasti u uslovima bogatim hloridima, na zavarenim spojevima, ili kada je kontaminirana običnim gvožđem.
Najvažnija pouka je da korozija nije jedan problem sa jednim rješenjem. To je interakcija materijala i okoline.
Dobre performanse korozije proizlaze iz pravilnog izbora legure, dobra praksa izrade, pravilna obrada površine, i pravi sistem zaštite za uslužno okruženje.
Za inženjere i proizvođače, razumijevanje ovih sedam točaka je razlika između odabira čelika koji radi samo danas i odabira čelika koji pouzdano radi godinama.
FAQs
Da li sav čelik rđa?
Da, sav čelik može korodirati pod pravim uslovima. Brzina i vrsta korozije zavise od legure i okoline.
Otporan je na nerđajući čelik?
Ne. Nerđajući čelik je otporan na koroziju, nije otporan na koroziju.
Zašto nerđajući čelik hrđa nakon zavarivanja?
Jer zavarivanje može promijeniti mikrostrukturu, smanjiti dostupnost hroma u zoni zahvaćenom toplotom, i uvesti rezidualni stres.
Zašto hloridne sredine oštećuju nerđajući čelik?
Ioni klorida mogu razbiti zaštitni oksidni film i potaknuti lokaliziranu koroziju kao što su pitting i napad pukotina.
Koji je najlakši način zaštite ugljičnog čelika?
Koristite premaze, pocinčavanje, ili drugi sistem zaštite od korozije prilagođen okolini.
