Čelik je jedan od najraširenijih građevinskih materijala u građevinarstvu, proizvodnja, prijevoz, i infrastrukture. Njegova popularnost dolazi iz kombinacije snage, svestranost, i isplativost s kojom se malo materijala može mjeriti.
Od konstrukcijskih okvira i mostova do strojeva i cjevovoda, čelik i dalje služi kao okosnica moderne industrije.
Ali čelik nije otporan na koroziju. Zapravo, korozija je jedan od najvažnijih čimbenika koji određuju koliko dugo čelična komponenta može ostati sigurna, funkcionalni, i ekonomičan u servisu.
Jasno razumijevanje korozije ključno je za inženjere, proizvođači, izvođači radova, i upravitelji imovinom podjednako.
Što bolje razumijete kako čelik korodira, to bolje možete odabrati pravu ocjenu, pravi sustav zaštite, i pravu strategiju održavanja.
Evo sedam ključnih točaka koje bi svaki korisnik čelika trebao znati.
1. Čelik prirodno nije otporan na koroziju
Običan ugljični čelik nije materijal otporan na koroziju. Njegova glavna komponenta je željezo, a željezo lako reagira s kisikom i vlagom.
Pri izlaganju atmosferi, čelik počinje oksidirati i stvarati hrđu, koji se uglavnom sastoji od hidratiziranih željeznih oksida i hidroksida, uključujući hidratizirani željezov oksid (Fe2O3⋅nH2O), željezni oksihidroksid (FeO(OH)) i željezov hidroksid (FE(OH)3).
Za razliku od stabilnih oksidnih filmova formiranih na nekim metalima, hrđa je porozna, slabi, i nezaštitnički.
Ne brtvi površinu. Umjesto toga, omogućuje kisiku i vodi da dopru do ispod metala.
Kao rezultat, korozija se nastavlja širiti, izlažući više svježeg čelika i ubrzavajući gubitak materijala tijekom vremena.
Zbog toga se ne može pretpostaviti da će nezaštićeni čelik ostati izdržljiv na otvorenom ili u vlažnom okruženju.
Bez odgovarajućeg premaza ili strategije za kontrolu korozije, korozija nije moguća; to je prirodan ishod.
2. Legiranje može znatno poboljšati otpornost na koroziju
Zašto je obični čelik ranjiv
Osnovni čelik je uglavnom željezo, a željezo je kemijski aktivno u prisutnosti kisika i vlage. To znači da nelegirani ili slabo legirani čelik nema ugrađenu zaštitu od korozije.
Nakon što se površinski film razbije, korozija može nastaviti napredovati jer je sloj hrđe formiran na običnom čeliku labav, porozan, a ne može izolirati podlogu od okoline.
Ovo je temeljni razlog zašto je dizajn legura toliko bitan u inženjerstvu čelika. Otpornost na koroziju nije samo problem površine; počinje unutarnjom kemijom metala.
Kako legiranje mijenja ponašanje čelika
Dodatkom odabranih legirajućih elemenata, čelik se može pretvoriti 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 usporiti elektrokemijske reakcije koje dovode do gubitka metala.
Legiranje ne eliminira koroziju u svakom okruženju, ali može premjestiti čelik iz materijala koji mora biti jako zaštićen u onaj koji može preživjeti dugotrajnu upotrebu uz mnogo manje održavanja.
Krom: temelj od nehrđajućeg čelika
Krom je najvažniji legirajući element kada je cilj otpornost na koroziju.
Kada je dovoljno kroma prisutno u čeliku, reagira s kisikom stvarajući vrlo tanku, gusta, i stabilan oksidni film na površini.
Ovaj pasivni film je temeljni razlog nehrđajući čelik tako učinkovito odolijeva hrđi.
Film nije samo barijera. Također se samostalno popravlja. Ako je površina izgrebana ili oštećena, krom može ponovno brzo reagirati s kisikom i ponovno izgraditi zaštitni sloj.
Ovo ponašanje samoiscjeljivanja je ono što čini nehrđajući čelik bitno drugačijim od ugljičnog čelika u uporabi.
Nikla: poboljšanje stabilnosti i žilavosti
Nikal se često dodaje nehrđajućem čeliku kako bi stabilizirao austenitnu strukturu i poboljšao ukupnu žilavost, duktilnost, i korozijsko ponašanje.
U mnogim nehrđajućim razredima, nikal pomaže da materijal ostane stabilan u širokom rasponu okruženja i poboljšava performanse tijekom oblikovanja, zavarivanje, i usluga na niskim temperaturama.
Nikal ne zamjenjuje ulogu kroma. Umjesto toga, jača cjelokupni sustav otporan na koroziju pomažući čeliku da zadrži povoljniju mikrostrukturu.
Molibden: jačanje otpornosti u kloridima
Molibden je posebno vrijedan u okruženjima koja sadrže kloride kao što je morska atmosfera, izloženost morskoj vodi, kemijska obrada, i industrijska okruženja bogata solju.
Pomaže nehrđajućem čeliku da se odupre rupičastoj i pukotinskoj koroziji, koji su među najopasnijim oblicima korozije jer se mogu razviti lokalno i prodrijeti duboko uz malo vidljivog upozorenja.
Zbog toga se vrste koje sadrže molibden često biraju 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 pridonose otpornosti na koroziju i radnoj učinkovitosti:
Mangan može podržati ravnotežu legure i pomoći u zamjeni za nikal u nekim klasama.
Dušik može poboljšati čvrstoću i lokaliziranu otpornost na koroziju u određenim nehrđajućim čelicima.
Silicij 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 klasama.
Svaki element ima drugačiju ulogu, ali šira ideja je ista: otpornost na koroziju je projektirana, nije slučajno.
Legiranje poboljšava, ali ne čini čelik nepobjedivim
Čak i visokolegirani nehrđajući čelik ima ograničenja. Jake kiseline, visoke koncentracije klorida, uvjeti pukotina, loša završna obrada površine, a zone zavarivanja pod utjecajem topline mogu ugroziti učinkovitost.
Legiranje poboljšava otpornost, ponekad dramatično, ali okolina još uvijek kontrolira konačni rezultat.
Zato odabir materijala mora uvijek odgovarati uvjetima uporabe.
Klasa koja se dobro ponaša u zatvorenim prostorima može biti nedovoljna u morskoj vodi, a stupanj koji radi u morskoj vodi ipak može zakazati u jako kiselom ili loše održavanom sustavu.
3. Okoline bogate kloridima posebno su agresivne
Jedno od najštetnijih okruženja za čelik je izloženost kloridima.
Solni sprej, morska voda, soli za odleđivanje, a određene industrijske procesne tekućine mogu napasti zaštitne oksidne filmove i izazvati lokaliziranu koroziju.
Kloridni ioni posebno su opasni jer ometaju pasivizaciju i mogu pospješiti rupičastu i pukotinsku koroziju.
Umjesto da uzrokuje glatku, ravnomjerni gubitak metala, kloridi često stvaraju male, mjesta duboke korozije koja je puno teže otkriti i opasnija su za strukturni integritet.
Zbog toga obični nehrđajući čelici mogu imati problema u pomorskoj ili obalnoj službi, dok vrste koje sadrže molibden kao što su 316 često se biraju zbog bolje otpornosti na kloride.
U vrlo teškim uvjetima, čak i nehrđajući čelik mora biti uparen s pravim premazom, detalj dizajna, i plan održavanja.
4. Zavarena područja često su najranjivija
Zavareni spoj rijetko je isti kao osnovni metal oko njega. Zavarivanjem se stvara zona utjecaja topline s promijenjenom mikrostrukturom, zaostalo naprezanje, a ponekad i smanjena otpornost na koroziju.
Od nehrđajućeg čelika, jedno klasično pitanje je senzibilizacija, gdje se karbidi kroma mogu formirati blizu granica zrna i smanjiti količinu kroma dostupnog za pasivizaciju.
To može učiniti zavareno područje osjetljivijim na interkristalnu koroziju ili pucanje od korozije na naprezanje, osobito ako je unos topline previsok ili se koristi pogrešan materijal za punjenje.
Čak i kada je sam zavar jak, lokalno korozivno ponašanje može biti slabije od očekivanog.
Zato zavarivanje nehrđajućeg čelika nije samo operacija spajanja. To je kontrolirani metalurški proces koji mora uzeti u obzir izbor punila, toplinski unos, čišćenje nakon zavarivanja, i, gdje je potrebno, obrada nakon zavarivanja.
5. Kontaminacija od običnog željeza može oštetiti nehrđajući čelik
Nehrđajući čelik mora ostati čist ako želi raditi kako treba. Kontakt s običnim alatima od ugljičnog čelika, čestice željeza, ili onečišćene radne površine mogu unijeti slobodno željezo na nehrđajuću površinu.
Ta kontaminacija može poremetiti pasivni film i stvoriti lokalizirane mrlje hrđe ili područja sklona koroziji.
To nije isto što i galvanska korozija između dva različita metala; to je problem kontaminacije.
Čak i kratki kontakt s prljavim alatom ili prašinom od brušenja čelika može ostaviti čestice ugrađene u površinu.
Ako te čestice oksidiraju, čine da nehrđajući čelik izgleda kao da korodira, iako je problem započeo kontaminacijom.
Iz tog razloga, proizvodnja nehrđajućeg čelika zahtijeva strogu disciplinu u trgovini. Namjenski alati, čista radna područja, i pravilno čišćenje površine nisu izborni; dio su kontrole korozije.
6. Uniformna korozija obično je manje opasna od lokaliziranog napada
Ne ponaša se sva korozija na isti način. Ravnomjerna korozija uklanja materijal više ili manje ravnomjerno po površini, što je često vizualno neugodno, ali relativno predvidljivo.
Jer šteta je raširena, lakše je pregledati, mjera, i upravljati.
Za razliku od, lokalizirana korozija kao što je rupičasta ili pukotinska korozija može biti daleko ozbiljnija.
Može se činiti neznatnim na površini dok stvara duboku penetraciju ispod površine.
U konstrukcijskim primjenama ili primjenama koje sadrže pritisak, takva skrivena šteta može dovesti do iznenadnog kvara.
To znači da sam izgled nije dovoljan za procjenu rizika.
Zahrđaloj površini može još uvijek ostati vremena ako je korozija ravnomjerna i nadzirana, dok komponenta od nehrđajućeg čelika koja izgleda čisto može još uvijek imati skriveni lokalizirani napad ako je okruženje teško i kvaliteta je loše odabrana.
7. Čelik se može zaštititi višestrukim sustavima za kontrolu korozije
Kontrola korozije je sustav, niti jedan proizvod
Korozija čelika se ne rješava jednim univerzalnim rješenjem.
U praksi, otpornost na koroziju postiže se kombiniranjem odabir materijala, površinska zaštita, detalji dizajna, izolacija okoline, i strategija održavanja.
Zbog toga je čelik i dalje tako široko korišten inženjerski materijal: iako može lako korodirati, također se može učinkovito zaštititi na mnogo različitih načina.
Najvažnija ideja je da zaštita od korozije treba biti usklađena s radnom okolinom.
Ukopani cjevovod, morska platforma, unutarnji okvir stroja, i spremnik za preradu hrane trebaju različite strategije. Ono što radi za jednu aplikaciju može biti neučinkovito ili čak neprikladno za drugu.
Sustavi premaza: prva i najčešća obrana
Sustavi premaza najčešći su način zaštite ugljičnog čelika. Njihova je svrha odvojiti čeličnu površinu od kisika, vlage, sol, i kemikalija.
Tipični načini premazivanja uključuju:
| Način zaštite | Glavni princip | Tipična prednost | Tipično ograničenje |
| Sustavi boja | Stvorite barijeru između čelika i okoliša | Fleksibilan, ekonomičan, naširoko korišten | Može se oštetiti udarcem, abrazija, ili loša priprema površine |
| Praškasti premaz | Termički otvrdnjavajuća polimerna barijera | Izdržljiv i vizualno čist | Zahtijeva kontroliranu primjenu i manje je prikladan za vrlo velike strukture |
| Pocinčavanje | Cink pruža barijeru i žrtvenu zaštitu | Jake vanjske korozije | Izgled površine je industrijski; popravak i dotjerivanje zahtijevaju njegu |
| Metalno prskanje / termalni sprej | Nanosi zaštitni metalni sloj | Dobar za teške uvjete rada | Specijaliziraniji i zahtjevniji za opremu |
| Fosfat / pretvorbeni premazi | Poboljšajte stanje površine i prianjanje boje | Korisno kao predtretman | Obično nije samostalno rješenje protiv korozije |
Žrtvena zaštita: korištenjem aktivnijeg metala za zaštitu čelika
Jedna od najmoćnijih metoda kontrole korozije čelika je žrtvena zaštita.
U ovom pristupu, reaktivniji metal se stavlja u kontakt s čelikom tako da zaštitni metal prvi korodira.
Najpoznatiji primjer je cinkov. Cink je aktivniji od željeza, pa kad su oboje izloženi korozivnoj okolini, cink je sklon prvenstveno korodirati i štiti čeličnu podlogu.
Ovo je načelo iza pocinčavanja i mnogih zaštitnih sustava na bazi cinka.
Žrtvovana zaštita posebno je vrijedna u vanjskim okruženjima jer nastavlja djelovati čak i ako je premaz izgreban ili oštećen. To ga čini robusnijim od čisto dekorativnog zaštitnog premaza u mnogim terenskim uvjetima.
Katodna zaštita: neophodan za zakopani i uronjeni čelik
Za podzemne cjevovode, tenkovi, morske strukture, i uronjene komponente, katodna zaštita često se koristi.
Ova metoda mijenja elektrokemijsko ponašanje čelika tako da sam čelik postaje zaštićena katoda u krugu korozije.
Postoje dva glavna oblika:
Katodna zaštita žrtvene anode
Aktivniji metal kao što je cink, magnezij, ili je aluminij pričvršćen na čeličnu konstrukciju. Anoda korodira umjesto čelika.
Utisnuta struja katodne zaštite
Vanjski izvor napajanja dovodi zaštitnu struju u strukturu, čineći ga katodnim i suzbijajući koroziju.
Katodna zaštita posebno je učinkovita kod velikih konstrukcija gdje sam premaz nije dovoljan.
U mnogim sustavima, koristi se zajedno s premazima, jer premaz smanjuje potražnju struje, a katodni sustav štiti sva izložena područja.
Legiranje: ugrađujući otpor u sam metal
Drugi način kontrole korozije je korištenje legure koja je sama po sebi otpornija od običnog ugljičnog čelika.
Nehrđajući čelik je klasičan primjer, ali otporni čelici i drugi niskolegirani tipovi također pokazuju kako sastav može promijeniti ponašanje korozije.
Legiranje je snažno jer ne štiti samo površinu; mijenja sam materijal. Od nehrđajućeg čelika, krom stvara pasivni film otporan na hrđu.
U drugim obiteljima čelika, odabrani dodaci mogu poboljšati otpornost na oksidaciju, zadržavanje snage, ili ponašanja u specifičnim okruženjima.
To čini legiranje posebno korisnim kada je opetovano 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 središnje ograničenje u mnogim okruženjima. Obični ugljični čelik lako hrđa ako nije zaštićen.
Nehrđajući čelik otporan je na koroziju stvaranjem samozacjeljujućeg pasivnog filma, ali ipak može zakazati u uvjetima bogatim kloridima, kod zavarenih spojeva, ili kada je onečišćeno običnim željezom.
Najvažnija lekcija je da korozija nije jedan problem s jednim rješenjem. To je interakcija materijala i okoliša.
Dobra korozijska učinkovitost dolazi od pravilnog izbora legure, zvučna praksa izrade, odgovarajuću površinsku obradu, i pravi sustav zaštite za okruženje usluge.
Za inženjere i proizvođače, razumijevanje ovih sedam točaka je razlika između odabira čelika koji radi samo danas i odabira čelika koji pouzdano radi godinama.
Česta pitanja
Hrđa li sav čelik?
Da, sav čelik može korodirati pod pravim uvjetima. Brzina i vrsta korozije ovise o leguri i okolini.
Otporan je na hrđu od nehrđajućeg čelika?
Ne. Nehrđajući čelik je otporan na koroziju, nije otporan na koroziju.
Zašto nehrđajući čelik hrđa nakon zavarivanja?
Budući da se zavarivanjem može promijeniti mikrostruktura, smanjiti dostupnost kroma u zoni utjecaja topline, i uvesti zaostalo naprezanje.
Zašto kloridna okruženja oštećuju nehrđajući čelik?
Kloridni ioni mogu razgraditi zaštitni oksidni film i pospješiti lokaliziranu koroziju kao što je rupičasta i pukotina.
Kako je najlakše zaštititi ugljični čelik?
Koristite premaze, galvanizirajući, ili drugi sustav zaštite od korozije usklađen s okolišem.
