Pasivace kovů: technologie, efekt, s jakými kovy

Pasivace (pasivace) kovů je potahování kovu tenkým filmem oxidu tohoto kovu nebo jeho kombinace s jinými látkami. Totéž platí pro pasivaci slitin. V tomto případě může pasivační film obsahovat pouze jednu ze slitinových složek.

Pasivace se nejčastěji provádí k ochraně kovu před povrchovou korozí způsobenou stykem se vzduchem nebo agresivním prostředím. V některých případech se pasivační fólie používají pro dekorativní účely. Pasivace elektrických kontaktů se provádí za účelem snížení přechodového odporu, ale k tomu dochází pouze u určitých typů kovů a fólií.

Některé kovy, například hliník, zirkonium, berylium, titan, mají vlastnost samopasivace, tzn. při kontaktu se vzduchem se na nich vytvoří oxidový film. Tloušťka takových filmů je 1–10 nm a může se časem zvětšovat. Tvorba takových oxidových filmů může být zpravidla urychlena zahříváním kovu v atmosféře s vysokým obsahem kyslíku.

Přitom ochrana slitin takových samopasivujících kovů s jinými již vyžaduje další pasivaci.

Slitiny, které mají heterogenní, tzn. sestávající z krystalitů, struktury s nerovnoměrným rozložením složek, jsou náchylnější ke korozi. Ke korozi mohou přispívat i vlivy, které lokálně mění složení nebo strukturu kovu nebo slitiny, jako je svařování a dokonce i mechanické namáhání.

Existuje chemická a elektrochemická pasivace

Chemické

Při chemické pasivaci je povrch kovu vystaven působení roztoku silného oxidačního činidla s přísadami. Volba oxidačního činidla, přísad a způsobu zpracování závisí jak na typu kovu, tak na vnějších vlivech, před kterými je potřeba jej chránit. Záporně nabité oxidační ionty interagují s kladnými ionty zpracovávaného kovu a vytvářejí film oxidů a nerozpustných solí.

Příkladem chemické pasivace je modření oceli a litiny, při kterém je výrobek vystaven působení koncentrované kyseliny, obvykle kyseliny sírové, s tvorbou oxidů železa (Fe) na povrchu.₃O₄ atd.) tloušťka 1-10 mikronů.

Elektrochemické

Při elektrochemické pasivaci je účinek oxidačního roztoku s přísadami zesílen vlivem elektrického pole. K tomu se zpracovávaný kovový produkt umístí do elektrolytické lázně s oxidačním roztokem a produkt se připojí na kladný pól zdroje stejnosměrného proudu. Záporná elektroda může být buď přídavná elektroda nebo kovové tělo lázně. Filmy získané elektrochemickou metodou se tvoří rychleji a mají lepší hustotu. Samotný proces se však stává složitějším a energeticky náročnějším.

Technologie elektrochemické pasivace je podobná technologii elektrochemického leštění kovů. Pokud se však pro pasivaci používají hlavně elektrolyty na bázi kyseliny dusičné, pak se pro leštění používají roztoky kyseliny sírové a kyseliny ortofosforečné.

Rozšířila se ruční modifikace elektrochemické metody, při které se záporná elektroda zdroje proudu nanáší na povrch obrobku houbou navlhčenou oxidačním roztokem a kladná elektroda se přikládá na výrobek. Tato metoda umožňuje rychle a levně zpracovat jednotlivé povrchové plochy např. po elektrickém svařování.

Slitiny nazývané nerezové oceli mají podle definice vysokou odolnost vůči různým prostředím. K tomu byly vlastně stvořeny. Ale tato odolnost není absolutní. Pasivace korozivzdorných ocelí je důležitým doplňkovým prvkem ochrany těchto slitin v různých aplikacích.

Druhy nerezových ocelí

Vlastnosti a účel

12 – 14 % Cr, do 0,45 % C

Odolává vodní páře, kyselině dusičné a octové

16 – 18 % Cr, asi 0,1 % C

Vysoká odolnost vůči korozi při teplotách do 900 0C, odolnost vůči síře a studeným organickým kyselinám

Vysoká odolnost proti korozi při teplotách do 1150 0C,

Na kyseliny dusičné, koncentrované sírové, fosforečné a další.

18 % Cr, 8 % Ni 1,5 % Mo

Zvýšená odolnost vůči kyselině sírové a octové

18 % Cr, 8 % Ni 3 % Cu

Odolnost vůči prostředí s nízkou aktivitou za přítomnosti mechanického namáhání

18 % Cr, 8 % Ni 2 – 3 % Si %

Zvýšená odolnost vůči kyselinám sírovým a chlorovodíkovým

Dobrá odolnost vůči mléčné, octové a dalším potravinářským kyselinám

Hlavní složkou nerezové oceli, která zabraňuje její korozi, je chrom, který je v ní vždy přítomen s obsahem minimálně 7 %. Při interakci se vzdušným kyslíkem nebo jinými oxidačními činidly se na povrchu nerezové oceli vytvoří jednotný hustý film oxidu chromitého Cr.₂O_3.

Vysoký obsah chrómu (17 % a více) zvyšuje odolnost nerezové oceli vůči různým agresivním prostředím.

Dalším kovem, který má ve své čisté formě vysokou schopnost samopasivace a je součástí mnoha nerezových ocelí, je titan.

Při mechanické aplikaci na povrch se ochranný film z nerezové oceli poruší, ale poté se snadno obnoví při kontaktu se vzduchem. Při absenci kontaktu se vzduchem, například při zakopání výrobku pod zem, může dojít ke zničení ochranného filmu a nerezová ocel pak zreziví, možná ještě rychleji než běžná ocel.

Korozi nerezové oceli je podporována povrchovou kontaminací, stykem s běžnou (černou) ocelí, dokonce i jejími zbytky po mechanické povrchové úpravě. Zdrojem koroze jsou také místní poruchy složení, ke kterým dochází při svařování. Svarové spoje jsou předmětem zvláštní pozornosti při pasivaci nerezové oceli. Tvorbu pasivačního filmu, ke které dochází jak přirozeně, tak pod zvláštním vlivem, lze ovlivnit i způsobem povrchové úpravy. Například je známo, že mechanické leštění nerezové oceli poskytuje lepší ochranný film.

Podle složení nerezové oceli a účelu jejího použití používám různé pasivační metody.

Existuje mnoho druhů (složení) nerezových ocelí, stejně jako receptů na řešení jejich chemické a elektrochemické pasivace. Některé z nich lze nalézt v průvodním dokumentu RD 1994-302-07-19, vydaném již v roce 92. Základem všech leptacích roztoků je kyselina dusičná. Pokud nejsou zvýšené požadavky na pasivaci, pak pro chemickou pasivaci všech jakostí nerezové oceli můžete použít roztok kyseliny dusičné o koncentraci 250 – 350 g/l. Používají se také kombinace dusičné (o koncentraci 150 – 250 g/l) s kyselinou fluorovodíkovou a ortofosforečnou.

Oxidační činidlo může obsahovat další přísady, mezi nimiž hrají zvláštní roli sloučeniny chrómu. Chromany (soli kyselin chromových) alkalických kovů a Mg jsou rozpustné ve vodě, Ca a Ba jsou rozpustné částečně. Jiné kovy tvoří nerozpustné chromany, které jsou součástí pasivačních filmů. Do oxidačního činidla lze přidat chromany sodné nebo draselné nebo anhydrid chromitý (oxid chromitý CrO).₃).

Při práci se sloučeninami chrómu je třeba věnovat zvláštní pozornost bezpečnostním opatřením kvůli jejich vysoké toxicitě.

Technologie elektrochemické pasivace nerezových ocelí s technologií elektrochemického leštění. Pokud se však pro pasivaci používají elektrolyty na bázi kyseliny dusičné, pak se pro leštění používají roztoky kyseliny sírové a kyseliny ortofosforečné.

V současné době si můžete koupit hotové kompozice pro pasivaci nerezové oceli. Výrobci přitom nejčastěji nezveřejňují jejich složení, poskytují pouze návod na způsoby jejich použití. Pro lokální povrchovou úpravu jsou k dispozici přípravky ve formě past, gelů nebo sprejů. Použití pasty nebo gelu umožňuje dlouhodobý kontakt ošetřovaného povrchu s pasivační kompozicí, aniž by došlo k jejímu rozšíření.

Při pasivaci, chemické i elektrochemické, je velmi důležité dodržet technologii, včetně přípravy produktu do procesu a jeho vymytí od chemických činidel po procesu. Přibližný diagram celého cyklu zpracování vypadá takto:

— mechanické čištění, včetně odstranění vodního kamene a stop koroze

– oplach v horké vodě

– oplach studenou vodou

– oplach studenou vodou

— neutralizace zbytků kyselin roztokem sody

– oplach horkou vodou

– oplach studenou vodou

Pasivace se provádí při teplotě roztoku 18 – 30 0 C. Doba trvání procesu pro chemickou pasivaci je 0,5 – 10 hodin v závislosti na požadované tloušťce ochranného filmu a teplotě procesu. Při elektrochemické pasivaci se výrazně zkracuje doba zpracování a závisí na stejných parametrech plus použité proudové hustotě. Závislost proudové hustoty na napětí přivedeném do lázně má složitý nelineární charakter. Závislost proudu v okruhu elektrolytické lázně na přiloženém napětí je složitá (obr . )

Pro dosažení optimálních výsledků musí být použité napětí v určitém rozsahu (E_str – E‘_str). Obvykle je to do 12 V.

Snad nejoblíbenější aplikací pasivace nerezové oceli je úprava svarových spojů. Svařování místně mění distribuci ocelových součástí obsažených v jeho složení a také zavádí cizí materiály. Proto je pasivace svarových spojů velmi důležitá. Ošetření celého povrchu výrobku v tomto případě většinou není nutné. Navíc velikost a tvar výrobků často neumožňují úplné ponoření do vany. Pasivace svarových spojů se provádí převážně lokálně. Pro chemickou pasivaci je vhodné použít pasty a gely, ale pro elektrochemickou pasivaci existuje speciální zařízení.

Konec elektrody, který má plochý, špičatý tvar, se obalí kouskem plsti nebo látky a navlhčí se pasivačním roztokem. Jedním vodičem je tato elektroda připojena k zápornému pólu zdroje stejnosměrného proudu a druhý vodič připojuje samotný produkt ke kladnému pólu stejného zdroje. Pro ošetření švu se elektroda s obalem navlhčeným roztokem pevně přitlačí ke švu a pohybuje se po něm (viz obrázek). Síla proudu by měla být nastavena v závislosti na oblasti kontaktu elektrody s produktem a obal elektrody by měl být pravidelně dodatečně zvlhčován roztokem.

Stejným způsobem můžete provádět místní zpracování jakéhokoli povrchu malé oblasti.

Po ukončení pasivačního procesu se obvykle kontroluje kvalita výsledné ochranné vrstvy. Existují různé způsoby takové kontroly. Povrch je například ošetřen roztokem ferrokyanidu draselného v kyselině dusičné. V místech, kde je vrstva velmi tenká nebo chybí, se v důsledku interakce se železem, které je součástí nerezové oceli, objeví charakteristická modrá barva.

Pro ovládání stačí výrobek umístit do vody. Po delším pobytu ve vodě se na špatně ošetřených místech objevuje rez. Tato metoda ale vyžaduje podstatně více času.

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.