Тајна отпорности на корозију од нерђајућег челика

Увођење

Нехрђајући челик има необичну репутацију. У свакодневном језику, људи га описују као „отпоран на рђу,” „чисто,” или чак „племенити”. У стварности, нерђајући челик није ништа од тога у апсолутном смислу.

Није имун на корозију, а није термодинамички инертан.

Ипак у кухињама, Хемијске биљке, морски системи, Медицински уређаји, и архитектонских објеката, често ради много боље од обичног угљеничног челика.

Па шта је права тајна?

Одговор није да је нерђајући челик направљен од „неактивних“ метала. У ствари, њени главни састојци — гвожђе, хром, и никл — сви су метали који могу врло лако да оксидирају.

Прави разлог зашто је нерђајући челик отпоран на корозију је тај што се не ослања само на племениту природу својих метала.

Она се ослања на а самоформирајући, самопоправљајући пасивни филм који штити легуру од њеног окружења.

То је срж отпорности нерђајућег челика на корозију: контролисана површинска оксидација, не одсуство оксидације.

1. „Парадокс“ откривен потенцијалом стандардне електроде

Стандардни потенцијал електроде је основни термодинамички параметар који описује склоност метала да губи електроне у раствору.

Једноставно, помаже да се покаже колико је метал хемијски активан. А негативније стандардни потенцијал значи да је већа вероватноћа да ће метал оксидирати и стога је активнији.

А позитивније потенцијал значи да је метал термодинамички стабилнији и мање жељан растварања.

Ако испитамо главне металне састојке нерђајућег челика—хром, гвожђе, и никл—и упоредите их са водоником као референтном тачком, појављује се занимљива контрадикција.

Контрадикција је одмах јасна: све три главне компоненте од нерђајућег челика имају негативни стандардни потенцијали електроде, што значи да леже на активној страни електрохемијске серије и термодинамички су склони оксидацији.

Хром је посебно значајан јер је његов потенцијал негативнији од гвожђа и никла, што значи да је најактивнији од три.

Са чисто термодинамичког становишта, ово уопште нису „племенити” метали. Они су активни метали који би требало, у принципу, прилично лако кородирају.

Ипак, нерђајући челик – легура направљена од ових активних елемената – показује изузетну отпорност на рђу и многе облике корозије.

То је парадокс: зашто се легура направљена од термодинамички активних метала понаша као материјал отпоран на корозију?

Одговор не лежи у термодинамичкој племенитости. Она лежи у способности легуре да изгради заштитно површинско стање које кинетички контролише корозију.

2. Права тајна: Пасивација и заштитни филм

Отпорност на корозију нерђајућег челика није резултат термодинамичке племенитости. То је резултат кинетичка заштита.

Другим речима, нерђајући челик не избегава оксидацију у потпуности; уместо тога, оксидира на високо контролисан начин који ствара изузетно ефикасну баријеру на површини.

Ова баријера се зове пасивни филм, и то је прави разлог зашто се нерђајући челик понаша као материјал отпоран на корозију.

Шта значи пасивизација

Када је нерђајући челик изложен окружењима која садрже кисеоник, као што су ваздух или вода, његова површина врло брзо реагује и формира веома танак слој оксида.

Ова реакција се дешава скоро одмах након излагања, а резултујући филм је:

• изузетно танак, обично дебљине само неколико нанометара,
• густ и компактан,
• снажно привржене на подлогу,
• хемијски стабилан у многим срединама,
• и, што је најважније, самопоправка.

Ова последња тачка је критична. Ако је површина изгребана или локално оштећена, изложени метал може поново да реагује са кисеоником и поново изгради заштитни филм.

То значи да легура није једноставно "превучена" једном заувек. Континуирано одржава своју заштиту кроз самообнављање површине.

Зашто пасивни филм функционише

Пасивни филм функционише јер одваја металну подлогу од корозивног окружења.

Једном када је баријера постављена, кисеоник, водити воду, хлориди, а друге агресивне врсте имају далеко више потешкоћа да дођу до основног метала.

У ствари, филм претвара нерђајући челик у материјал који је отпоран на корозију не тако што је потпуно нереактиван, али брзим формирањем површинског стања које блокира даљу реакцију.

Зашто се ово разликује од обичне рђе

Овај механизам се суштински разликује од корозивног понашања обичног угљеничног челика. Угљенични челик ствара рђу гвожђа, који је типично порозан, нонадхерент, и нестабилан.

Рђа не затвара површину; често убрзава даљи напад тако што излаже нови метал и задржава влагу.

Супротно, пасивни филм на нерђајућем челику је компактан и заштитни.

Понаша се мање као производ корозије који означава оштећење, а више као функционални површински слој који спречава ширење оштећења.

Пасивација није једнократни догађај

Важно је схватити да пасивизација није трајна, статички премаз. То је динамичко стање површине. Пасивни филм може бити ослабљен:

• ниска доступност кисеоника,
• хлориди,
• висока температура,
• пукотине,
• површинска контаминација,
• и неправилна историја производње.

Ако се филм уништи брже него што се може реформисати, легура губи своје нерђајуће понашање у том локалном региону.

Зато нерђајући челик може да ради бриљантно у једном окружењу, а да не успе у другом. Пасивни филм је моћан, али зависи од услова који то подржавају.

Право значење "нерђајућег"

Реч „нерђајући“ може да завара ако се схвати дословно. Нерђајући челик није метал који никада не реагује.

То је метал који реагује таман довољно за стварање високозаштитног филма богатог хромом, а затим користи тај филм да заустави даљу корозију.

То је права тајна:

нерђајући челик је отпоран на корозију јер своју хемијску активност претвара у самозаштиту.

3. Кључни елемент: Хром (ЦР)

Ако је пасивизација механизам који стоји иза отпорности нерђајућег челика на корозију, затим хром је елемент који омогућава пасивизацију.

То је најважнији додатак за легирање нерђајућег челика јер омогућава формирање стабилне, заштитнички, оксидни филм богат хромом на површини.

Зашто је хром важан

Када садржај хрома достигне довољан ниво—обично око 12% или више— нерђајући челик може развити пасивни филм који дефинише његову отпорност на корозију.

Тај филм није обична рђа. Њиме доминирају хром оксид, Црдо₃, која је много гушћа, стабилнији, и далеко више заштитни од оксида гвожђа насталих на обичном угљеничном челику.

Хром не чини нерђајући челик „имуним“ на оксидацију. Уместо тога, мења природу оксидације тако да површинска реакција постаје заштитна, а не деструктивна.

Хром против оксида гвожђа

Разлика између хром оксида и гвожђе рђе је фундаментална.

Гвожђе оксид има тенденцију ширења, црацк, и одваја се од површине. Једном када се љушти, свеж метал је изложен и циклус корозије се наставља.

Хром оксид се понаша супротно: чврсто се држи површине и формира непрекидну баријеру која се одупире даљем нападу.

Самопоправка је највреднија имовина хрома

Један од најупечатљивијих аспеката хрома је то што омогућава пасивном филму да самоизлечити.

Ако је површина изгребана, истрошена, или локално оштећени, хром у основној легури може брзо да реагује са кисеоником и обнови заштитни оксидни слој.

Због тога нерђајући челик може преживети нормално хабање и мања површинска оштећења без да одмах изгуби своју отпорност на корозију.

Пасивни филм није крхки премаз који се наноси споља. То је активно, самообнављајуће површинско стање подржано хромом у самој легури.

Хром није само елемент корозије

Хром чини више од формирања пасивног филма. Такође доприноси укупној отпорности нерђајућег челика на оксидацију при високим температурама и помаже у дефинисању општег понашања породице легура.

Међутим, његова најважнија функција остаје иста: ствара површинску хемију која чини легуру „нерђајућом“.

Без довољно хрома, легура губи способност одржавања непрекидног пасивног филма. У том тренутку, више се не понаша као нерђајући челик у инжењерском смислу.

Баланс хрома мора бити очуван

Хром је ефикасан само када је доступан у матрици и близу површине.

Ако је хром везан за нежељена једињења — као што су карбиди формирани на границама зрна — околни метал може остати осиромашен хромом.

У том стању, чак и легура са високим номиналним садржајем хрома може постати подложна локализованој корозији.

Због тога се перформансе нерђајућег челика не одређују само садржајем хрома.

Хром такође мора бити правилно распоређени и металуршки доступни да подржи пасивизацију.

Дубља лекција

Хром је кључ јер даје нерђајућем челику начин да се заштити.

Омогућава легури да формира стабилан оксид који је довољно танак да буде невидљив, али довољно јак да спречи брзу кородију метала испод.

Дакле, права улога хрома није да нерђајући челик учини инертним. То је да се направи нерђајући челик способан за изградњу а самозаштитна површина.

4. Споредна улога никла (У)

Ако је хром елемент који чини пасивни филм могућим, никл је елемент који чини нерђајући челик свестранији и са више праштања.

Хром даје нерђајућем челику основну отпорност на корозију, али никл проширује опсег окружења у којима тај отпор остаје ефикасан и стабилизује микроструктуру која га подржава.

Никл повећава отпорност на корозију у окружења која се смањују

Пасивни филм богат хромом је најстабилнији у оксидирајуће средине као што су ваздух, водити воду, азотне киселине, и оксидационих раствора соли.

У редукујуће или неоксидирајуће киселине, међутим, тај филм је мање стабилан и може се лакше растворити или разбити. Овде никл постаје посебно важан.

Никл је племенитији од гвожђа и хрома у електрохемијском смислу, а то га чини отпорнијим на нападе у многим редукционим медијима.

Када се нерђајући челик додаје никл, побољшава перформансе у окружењима где сам хром није довољан.

У практичном смислу, никл помаже нерђајућем челику да се одупре ширем спектру хемијских услова, не само оксидирајућих.

Ово је један од разлога зашто аустенитни нерђајући челици као нпр 304 и 316 се тако широко користе.

Њихово понашање у корозији није засновано само на хрому; то је комбиновани ефекат хрома и никла који раде заједно.

Никл стабилизује аустенитну структуру

Никл такође игра кључну металуршку улогу: то је ан стабилизатор аустенита. У челицима као што су 304, никл помаже у очувању аустенитне кристалне структуре на собној температури.

То је важно из два разлога.

Прво, аустенитна структура пружа одличне дуктилност, жилавост, и формалност, због чега се ови челици могу штанцати, савијен, дубоко извучени, и тако ефикасно измишљено.

Друго, стабилна и уједначена аустенитна матрица подржава равномернију расподелу легирајућих елемената, укључујући хром, што помаже да пасивни филм остане континуиранији и мање склон дефектима.

У овом смислу, никл не ствара директно пасивни филм. Уместо тога, ствара металуршко окружење у којем пасивни филм може да се формира поузданије и да ради доследније.

Никл помаже у смањењу проблема са сегрегацијом хрома

Стабилна аустенитна матрица такође помаже у смањењу ризика од локалне сегрегације хрома на границама зрна.

То је важно јер неуједначена дистрибуција хрома може ослабити пасивни филм и створити локалну подложност корозији.

Промовисањем хомогеније структуре, никл индиректно подржава отпорност на корозију.

Легура није само обликовнија и чвршћа; такође је боље позициониран да одржава уједначен површински слој богат хромом.

Никл и дуплекс нерђајући челици

Никл није важан само у потпуно аустенитним класама. У дуплекс нерђајућим челицима, контролисани садржај никла помаже у равнотежи односа аустенита и ферита и може побољшати отпорност на пуцање од корозије под напоном.

У овој породици, никл се не користи само да би се челик учинио „аустенитнијим“; користи се за подешавање фазног баланса тако да легура може да комбинује снагу, отпорност на корозију, и ефикаснија отпорност на пуцање.

Дакле, вредност никла у нерђајућем челику је шира него што многи људи претпостављају. То није само појачивач отпорности на корозију. Такође је а микроструктурни стабилизатор и а алат за фазни баланс.

5. Осим хрома и никла: Помоћни легирајући елементи

Хром и никл су главни стубови отпорности нерђајућег челика на корозију, али они нису цела прича.

Додато је неколико секундарних легирајућих елемената да би се решиле специфичне слабости у пасивном филму или да би се побољшало понашање легуре у тешким окружењима.

Молибден: заштита од питинг и пукотине корозије

Молибден је један од најважнијих носећих елемената у нерђајућем челику, посебно у разредима као нпр 316.

Његова главна улога је да побољша отпорност на Питтинг Цорросион и Цревице Цорросион, посебно у срединама богатим хлоридима као што је морска вода, слани спреј, и многе индустријске слане воде.

У практичном смислу, молибден помаже у јачању пасивног филма и смањује лакоћу са којом хлоридни јони могу да продру и разбију га.

Због тога се у поморству често преферирају класе које садрже молибден, хемијски, и приобалне примене где се обични нерђајући челици хром-никл могу борити.

Титанијум и ниобијум: стабилизација против интергрануларне корозије

Титан и ниобијум се користе у стабилизованим нерђајућим челицима као нпр 321 и 347.

Њихова сврха је врло специфична: оне спречавају Интергрануларна корозија везивањем угљеника пре него што се хром споји са њим.

Ово функционише зато што титанијум и ниобијум имају јачи афинитет за угљеник од хрома.

Уместо формирања хром карбида на границама зрна, формирају стабилне титанијум карбиде или ниобијум карбиде.

То чува хром у матрици и спречава исцрпљивање хрома близу граница зрна.

Ово је металуршко решење за проблем корозије. Легура је дизајнирана тако да је угљеник „заробљен“ стабилизујућим елементом уместо да краде хром из пасивног система.

Азот: јачање аустенита и побољшање отпорности на точење

Азот има моћан двоструки ефекат у нерђајућем челику.

Прво, помаже у стабилизацији аустенитна структура, подржавајући исту врсту контроле фазе коју обезбеђује никл.

Друго, побољшава се отпорност на питинг корозију повећањем отпорности пасивног филма на локализовани слом.

Азот је посебно вредан јер може да побољша и механичке перформансе и перформансе корозије у исто време.

То је један од најефикаснијих додатака за легирање у модерном дизајну од нерђајућег челика.

6. Пасивност је динамичко стање, Није стална

Један од најчешћих неспоразума око нерђајућег челика је да се његов заштитни филм понаша као фиксни премаз који је трајно причвршћен за површину.

У стварности, тако не функционише пасивност. Пасивно стање је динамичан. Континуирано се формира, оштећени, и поправља се како материјал ступа у интеракцију са околином.

Ова динамична природа је управо оно што чини нерђајући челик ефикасним, али такође објашњава зашто и даље може да пропадне под погрешним условима.

Пасивни филм је увек у стању равнотеже

Оксидни филм богат хромом на нерђајућем челику је изузетно танак и веома стабилан, али није статична. Постоји у деликатној равнотежи између формирања и распада.

Када је окружење повољно, кисеоник у околном медијуму помаже да филм остане нетакнут или да се брзо реформише након поремећаја.

Када је окружење неповољно, филм се може оштетити брже него што се може обновити. У том случају, локализована корозија може почети иако је легура још увек номинално "нерђајућа".

Због тога нерђајући челик не треба посматрати као материјал који је трајно заштићен.

Тачније је рећи да је то материјал који може одржава пасивност све док његово окружење дозвољава пасивном филму да остане стабилан.

Филм се може самостално поправити, али само под правим условима

Једна од највреднијих карактеристика нерђајућег челика је његова способност самоизлечења.

Ако је површина изгребана, истрошена, или локално поремећена, хром у основној легури може брзо да реагује са кисеоником и поново изгради заштитни оксидни слој.

Међутим, ово понашање самопоправљања зависи од окружења.

• У срединама богатим кисеоником, филм се лако реформише.
• У стајаћим пукотинама, кисеоник може бити исцрпљен.
• У растворима богатим хлоридима, филм се може покварити локално.
• У високо редуцираним медијима, пасивни слој можда неће остати стабилан.

Дакле, пасивност није само својство метала. То је својство метално-еколошки систем.

Пасивност може да пропадне локално чак и када је масивна легура здрава

Компонента од нерђајућег челика може изгледати савршено прихватљиво, док мали делови на површини већ губе пасивност.

Ови локални кварови могу бити изазвани:

• хлоридних јона,
• услови са ниским садржајем кисеоника,
• наслаге или пукотине,
• заваривање топлотне боје,
• контаминација,
• храпавост површине,
• или резидуални стрес.

Једном се у пасивном филму формира мали локални дефект, може постати полазна тачка за питтинг, Цревице Цорросион, или интергрануларни напад.

Због тога је локализована корозија тако озбиљан проблем за нерђајући челик: снага легуре је стварна, али је заштитно стање локално и условно.

Хемија животне средине снажно утиче на пасивност

Стабилност пасивног филма зависи од хемије у окружењу.

Фактори као што су пХ, концентрација хлорида, ниво кисеоника, температура, и кретање течности утичу на то да ли пасивност остане нетакнута.

На пример:

• кисеоник подржава поправку филма,
• хлориди може дестабилизовати филм,
• висока температура може убрзати квар,
• стагнирајућих зона може спречити репасивацију,
• и кисели или редукциони услови може ослабити заштиту.

Због тога нерђајући челик који добро ради у једном окружењу може покварити у другом. Легура се не мења, али услови који контролишу пасивност раде.

Стање површине је важно колико и састав

Јер пасивност је површински феномен, стање површине је критично важно.

Храпавост, контаминација, скала завара, ирон пицкуп, а топлотна нијанса може ометати перформансе пасивног филма.

Чисто, гладак, Правилно обрађена површина од нерђајућег челика има много веће шансе да задржи пасивност него прљава, оксидовано, или контаминирани.

Због тога је пракса израде неодвојива од перформанси корозије. Добра хемија није довољна ако је површина оштећена лошом обрадом.

Пасивност је кинетичко достигнуће

Кључни концепт овде је кинетика. Нерђајући челик није заштићен јер је корозија немогућа.

Заштићен је јер се пасивно стање формира довољно брзо и довољно брзо се поправља да надмаши корозију под одговарајућим условима.

То је право значење отпорности на корозију нерђајућег челика:
не имунитет, али контролисана самозаштита.

7. Закључак

Отпорност нерђајућег челика на корозију није заснована на племенитости у електрохемијском смислу.

Заснован је на много елегантнијем механизму: способност легуре да створи танак, густо, присталица, и самоисцељујући пасивни филм, углавном изграђен око хром-оксида.

Хром је основни филмотворац. Никл проширује употребљив опсег отпорности на корозију и стабилизује аустенитну структуру.

Молибден, азот, титанијум, ниобијум, и угљеник контролишу детаље.

А коначни резултат зависи не само од композиције, али и на топлотну обраду, квалитет заваривања, и стање површине.

Дакле, тајна нерђајућег челика није у томе што никада не кородира.
Тајна је у томе што уме да се заштити.