Stal nierdzewna zadomowiła się w naszym życiu już chyba na dobre. Widzimy w jaki szybki sposób wypiera zwykłą stal węglową, która jest mało odporna na korozję i jest mało estetyczna. Zastosowanie stali nierdzewnej ma coraz większe zapotrzebowanie w przemyśle chemicznym oraz rafineryjno-petrochemicznym, w przemyśle komunikacyjnym, w budowie i wyposażeniu środków transportowych i komunikacyjnych, w przemyśle budowlanym (konstrukcje, dachy, słupy itp.); w przemyśle spożywczym jakimi są mleczarnie, browary itp. oraz w tak bliskim dla nas gospodarstwie domowym (zlewozmywaki, czy elementy składowe sprzętu AGD) powszechnie przez nas wszystkich stosowane oraz w wielu jeszcze innych dziedzinach życia wyżej nie wymienionych.
Stal nierdzewna różni się od stali węglowej tym, że jest znacznie bardziej odporna na korozję, a na powierzchni stali nierdzewnej tworzy się warstwa pasywna (ochronna) w postaci tlenków, która chroni stal przed korozją. Odporność stali nierdzewnych na korozję gwarantuje chrom w ilości nie mniejszej niż 10,5% oraz ograniczenie ilości węgla do znikomych ilości tj. poniżej 1%. Dodatkowo stale szlachetne uszlachetnia się takimi pierwiastkami jak nikiel, molibden oraz miedź, (krzem i cerium w stalach żaroodpornych), które są odpowiedzialne za odporność na korozję oraz tytan i mangan, które są odpowiedzialne za własności mechaniczne (lepsza wytrzymałość zmęczeniowa).
Korozja jest procesem elektrolitycznym, w którym powierzchnia metalu ulega zniszczeniu. Ze względu na sposób i miejsce powstawania wyróżniamy siedem rodzajów korozji: korozja ogólna (najlżejsza), która „atakuje” całą powierzchnię materiału (powierzchnia pokrywa się rdzawym nalotem) oraz korozja międzykrystaliczna (najcięższa), która atakuje granice ziaren. Występuje jeszcze korozja wżerowa, która charakteryzuje się ubytkiem materiału, korozja naprężeniowa, która charakteryzuje się poddawaniem stali na naprężenia wewnętrzne np. spowodowane bardzo agresywnym środowiskiem lub dużą zmianą temperatury zewnętrznej (naprężenia rozciągające), korozja zmęczeniowa, która powstaje po korozji naprężeniowej widocznym pękaniem metalu, korozja szczelinowa, która pojawia się np. pod główkami nitów, śrub itp. oraz korozja stykowa, która powstaje podczas obróbki galwanicznej tj. styku dwóch różnych metali o różnych potencjałach.
Warunkiem powstawania korozji jest obecność elektrolitu oraz różnica potencjału. Takie warunki występują m.in. gdy dwa dobrze przewodzące metale stykają się, a jednocześnie znajduje się na nich ciecz przewodząca. Powstaje wtedy tzw. ogniwo. Innym przykładem może być sytuacja, gdy w metalu znajdują się wtrącenia tlenków o innym potencjale elektrochemicznym niż jego powierzchnia. Wtedy również powstaje „ogniwo”. Ten proces następuje wówczas gdy na powierzchni metalu znajdują się malutkie cząsteczki żelaza wtarte w nią podczas szlifowania lub cięcia. Za odporność na działanie korozji w stalach kwasoodpornych odpowiada warstwa pasywna składająca się z tlenków chromu. Ma ona ok. 0,06 do 0,08 mikrometrów grubości. Chroni ona jednak tylko wówczas gdy jest szczelna i dobrze wytworzona na powierzchni. Taka warstwa powstaje na gładkiej i absolutnie czystej powierzchni. Tlenki, metale obce oraz inne zabrudzenia przeszkadzają w powstaniu odpowiedniej warstwy pasywnej czego wynikiem może być korozja. Jeżeli powierzchnia metalu jest czysta i uaktywniona, to jest w stanie reagować z tlenem z powietrza i już po kilku minutach tworzy się zaczątek warstwy ochronnej. Później jednak proces ten ulega spowolnieniu, aż do około 14 dni kiedy całkowicie wygasa. Stal nierdzewna w każdej formie (rury, blachy, itp.) wykonana profesjonalnie, posiada warstwę ochronną.
Warstwa pasywna ulega zniszczeniu podczas obróbki mechanicznej lub termicznej. Przy obróbce mechanicznej, bardzo ważne jest używanie specjalnych narzędzi do stali nierdzewnych. Minimalizuje to ryzyko wprowadzenia na powierzchnię obcych mikrocząstek. W przypadku prac termicznych jak np. spawanie, następują zmiany strukturalne objawiające się przebarwieniami termicznymi, które uniemożliwiają wytworzenie się warstwy pasywnej. Aby temu zaradzić należy przeprowadzić najmniej skomplikowaną z punktu widzenia technicznego i ekonomicznego obróbkę chemiczną w postaci trawienia i pasywacji. Metoda ta jest najlepszym sposobem przywrócenia pierwotnego efektu wizualnego i ochronnego stali nierdzewnej, gdyż nie następuje wcieranie zanieczyszczeń podczas obróbki mechanicznej.
Jeżeli warstwa pasywna tlenków ulegnie zniszczeniu w sposób mechaniczny lub chemiczny, stal w miejscu uszkodzonym traci swoją odporność na korozję do momentu jej uaktywnienia np. podczas reakcji z tlenem z powietrza. Stal nierdzewna jest również mało odporna na korozję jeżeli do zbyt agresywnego środowiska użyje się stali o małej odporności korozyjnej tzn. stali z małą ilością dodatków uszlachetniających.
Pomiary wykazują, że wartości ciągnionego napięcia powierzchniowego powstającego w górnych warstwach materiału są bardzo wysokie, lecz na głębokości paru mikrometrów można je już tolerować. W tym przypadku proces trawienia chemicznego może w zupełności wystarczyć bo „zdejmuje” on od 5 do 10 mikrometrów powierzchni zmniejszając naprężenia oraz jednocześnie likwidując przebarwienia termiczne w strefie przegrzania. Stal możemy trawić metodą kąpielową (PELOX T 100K), nanosząc na powierzchnię środek trawiący przy zastosowaniu metody natryskowej (PELOX SP-K 3000) lub najmniej skomplikowanym sposobem tj. nakładając pastę trawiącą (PELOX TS-K 2000). Warto nadmienić, że po zastosowaniu preparatów trawiących i dokładnym ich spłukaniu po procesie trawienia, została zdjęta wierzchnia warstwa tlenków chromu, gdyż środki trawiące nie pozostawiają warstwy zabezpieczającej, a jedynie wspomagają jej wytworzenie. Po zakończonym i prawidłowym przeprowadzeniu procesie trawienia powłoka pasywna wytworzona jest w ok. 30%, a powierzchnia jest w pełni uaktywniona do samoistnego wytworzenia się warstwy pasywnej w reakcji z tlenem z powietrza. Czas jaki jest potrzebny do całkowitego samoistnego wytworzenia się warstwy pasywnej to okres ok. dwóch tygodni. W przypadku, kiedy wyrób bezpośrednio po obróbce trawienia może być narażony na czynniki atmosferyczne lub związki chemiczne, konieczne jest zastosowanie pasywatora PELOX RP celem natychmiastowego wytworzenia się warstwy pasywnej i pełnego zakończenia procesu chemicznego. Dzięki tej ochronnej warstwie unika się „wejścia” na wyczyszczoną powierzchnię obcych mikrocząstek mogących tworzyć nalot rdzawy lub wręcz korozję. Warstwa tlenków chromu jest trwała pod warunkiem, że nie uszkodzi się jej mechanicznie lub chemicznie. Również osadzanie się brudu na materiale w pełni nie zabezpieczonym może mieć negatywny wpływ nie tylko na tworzącą się warstwę pasywną ale również na optykę elementów. Trwałość warstwy pasywnej (rezystancyjnej) jest więc podyktowana należytym dbaniem o powierzchnię wyrobu oraz doborem odpowiedniego gatunku materiału do warunków środowiskowych i czynników bezpośrednio działających na dany wyrób. W całym procesie obróbki chemicznej ważnym czynnikiem jest również jakość wody używanej do płukania. Jeżeli woda ma wysoką zawartość chloru, żelaza itp. to po zakończeniu obróbki chemicznej (po procesie pasywacji) do ostatecznego spłukania wyrobu należy użyć wody zdemineralizowanej.
ZASADY POSTĘPOWANIA PODCZAS CHEMICZNEJ OBRÓBKI STALI NIERDZEWNYCH.
W ostatnich latach można zaobserwować gwałtowny rozwój preparatów trawiących. Dzisiejsze preparaty mają konsystencję żelu i wstrząśnięcie butelką wystarczy, aby uzyskać pożądaną konsystencję roboczą wytrzymującą kilka godzin. Może to być pasta do nanoszenia pędzlem (wyłącznie na spoinę i strefę przegrzania termicznego) lub żel, który natryskuje się na całą powierzchnię (łącznie ze szwami spawalniczymi) przy zastosowaniu pompy pneumatycznej. Metoda natryskowa zaoszczędza nam ok. 90% czasu pracy w stosunku do nanoszenia pędzlem, dając jednocześnie jednolitą powierzchnię wyrobu po procesie trawienia, pod warunkiem, że wyrób trawiony nie był wcześniej poddany miejscowemu szlifowaniu. Dostępne na rynku preparaty trawiące różnią się składem zastosowanych kwasów oraz konsystencją. Ważnym aspektem jest czystość zastosowanych surowców do produkcji tych produktów. Najstarszą metodą trawienia jest metoda zanurzeniowa. Jedyną wadą tej metody może być ograniczenie gabarytowe trawionych wyrobów spowodowane wielkością zbiornika kąpielowego.
W oparciu o normy postępowania przy chemicznej obróbce stali szlachetnych firmy PELOX Biochemie-u. Umwelttechnik GmbH, czas trawienia zależy m.in. od gatunku materiału, który poddajemy obróbce. Z norm tych wynika, że materiały, które zawierają w swoim składzie chemicznym dodatki uszlachetniające (utwardzające), tj. Ni, Mo, Cu, Ti, Mn nazywane stalami austenitycznymi np. 1.4301, 1.4571 trawi się od 45 min nawet do 12 godzin w zależności od ilości procentowej składu chemicznego ww. składników w materiale. Na czas trawienia ma również wpływ temperatura otoczenia (trawienie metodą natryskową) lub temperatura preparatu trawiącego (trawienie metodą kąpielową) oraz w jaki sposób materiał został wyprodukowany (zimno lub gorąco walcowany). Natomiast materiały, które w swoim składzie chemicznym nie posiadają lub mają znikomą wartość Ni (poniżej 0,5%) tzw. ferryty np. 1.4000 trawi się specjalnymi preparatami o zredukowanej ilości kwasu fluorowodorowego.
Z doświadczeń chemicznych wynika, że proces chemiczny najlepiej przebiega w temperaturze pokojowej, natomiast trawienie stali w temperaturze poniżej 6°C jest niewskazane. Warunek ten, nie jest jednak konieczny do spełnienia, natomiast proces przy temperaturze poniżej określonej, będzie przebiegał bardzo wolno, ponieważ tempo reakcji chemicznej w tak niskich temperaturach znacznie spada.
Przedłużenie czasu trawienia (głównie w metodzie kąpielowej) o ok. 70% prowadzi do przetrawienia materiału, a tym samym do powstania zaczątków korozji międzykrystalicznej, co wykazują badania laboratoryjne przeprowadzane za pomocą mikroskopu elektronowego. Dlatego ważnym jest, okresowe badanie składu chemicznego kąpieli trawiącej celem utrzymania optymalnych stężeń składników, a co za tym idzie utrzymanie czasów trawienia wg ww. norm. Przekroczenie czasu trawienia w metodzie natryskowej nie ma większego znaczenia, gdyż nie ma ryzyka przetrawiania poddawanego obróbce wyrobu.
Przy procesach chemicznych pracownicy powinni posiadać odpowiednie wyposażenie ochronne, przewidziane w Karcie Charakterystyki określonego preparatu używanego do procesu chemicznego.
Zasady postępowania podczas trawienia.
Przed przystąpieniem do trawienia wyrobów ze stali nierdzewnych należy posiadać informację o rodzaju materiału (gat. stali) celem doboru czasu trawienia oraz dobrze przygotować powierzchnię wyrobów przeznaczonych do obróbki chemicznej. W tym celu wyroby trawione muszą zostać dokładnie odłuszczone oraz temperatura otoczenia/kąpieli nie powinna być niższa niż 6°C. Warunek ten nie jest jednak konieczny do spełnienia. Proces przy temperaturze poniżej określonej będzie przebiegał bardzo wolno. Jako preparat odłuszczający zalecany jest preparat PELOX AR (alternatywnie można użyć kwaśnego preparatu czyszczącego PELOX FR-D); czas działania od 15 minut, w zależności od usuwanego zanieczyszczenia.
W zależności od gabarytów wyrobu lub miejsca wykonywania prac, trawienie może być wykonane poprzez zanurzenie w preparacie trawiącym, metodą natryskową lub przy trawieniu samych szwów spawalniczych poprzez nałożenie preparatu trawiącego w postaci pasty.
W przypadku trawienia poprzez zanurzenie:
• wyroby należy zanurzyć w wannie zawierającej preparat trawiący PELOX T 100K; czas działania uzależniony jest m.in. od gatunku materiału i temperatury kąpieli.
W przypadku metody natryskowej:
• do używanego preparatu trawiącego można dodać indykator, który zabarwia elementy na fioletowo (do ok. 15 min.), co pozwala dokładnie i równomiernie nanieść go na powierzchnię redukując jednocześnie powstawanie gazów azotowych,
• na czystą powierzchnię za pomocą pompy do natrysku nanieść preparat trawiący np. PELOX SP-K 3000; czas działania uzależniony jest m.in. od gatunku materiału i temperatury otoczenia, w którym wykonywany jest proces trawienia.
Po zakończeniu procesu trawienia – wyroby należy dokładnie spłukać czystą wodą najlepiej pod ciśnieniem ok. 150 bar.
Po spłukaniu należy dokonać wzrokowej kontroli czystości spoin. W przypadku zabrudzeń spoin (głębokie i trwałe zabrudzenia, które nie uległy wytrawieniu) – można przeprowadzić obróbkę mechaniczną (szlifowanie, szkiełkowanie) celem uzyskania lepszego efektu wizualnego. Po ww. zabiegach następuje ostatni proces obróbki chemicznej jakim jest pasywacja.
Zasady postępowania podczas pasywacji.
Przed przystąpieniem do procesu pasywacji wyrobów ze stali nierdzewnych (gdy nie były poddawane wcześniejszemu trawieniu) należy dokonać przygotowania powierzchni. W tym celu wyroby muszą zostać dokładnie odłuszczone. Jako preparat odłuszczający zalecany jest kwaśny preparat czyszczący PELOX FR-D. Czas działania od 15 minut, w zależności od usuwanego zanieczyszczenia. Temperatura otoczenia nie powinna być niższa niż 6°C. Proces przy temperaturze poniżej określonej, będzie przebiegał bardzo wolno, ponieważ tempo reakcji chemicznej w tak niskich temperaturach znacznie spada.
W przypadku gdy wyroby tuż przed pasywacją były poddane procesowi trawienia – proces odłuszczania nie jest wymagany, ponieważ powierzchnia po trawieniu jest chemicznie czysta.
Pasywację wykonuje się poprzez zanurzenie w kąpieli pasywującej w preparacie PELOX RP lub poprzez naniesienie pasywatora pompą do natrysku (np. PELOX P-DZ). Czas działania w temperaturze pokojowej wynosi ok. 30 minut.
Po zakończeniu pasywacji wyrób należy dokładnie spłukać czystą wodą najlepiej pod ciśnieniem ok. 150 bar. Pozostawienie odczynu kwaśnego na powierzchni wyrobu może doprowadzić do powstania korozji.