Kemisk overfladebehandling af rustfrit stål

Transkript

1 Kemisk overfladebehandling af rustfrit stål De forskellige processer, virkemåde, fordele og ulemper Damstahl Group: Germany, Denmark, Sweden, Norway, the Netherlands, Slovenia and Finland

2 Kemisk overfladebehandling af rustfrit stål De forskellige processer, virkemåde, fordele og ulemper Al bearbejdning af rustfrit stål medfører en risiko for svækkelse af stålets naturlige korrosionsbestandighed. Er denne svækkelse større, end materialevalget har taget højde for, skal bestandigheden retableres, hvilket sikrest (og ofte billigst!) sker ved at anvende en kemisk overfladebehandling. Blålige, anløbne svejsninger fra en tank lavet af Tabet af korrosionsbestandighed i sådanne anløbninger er alvorligt, og for at stålet skal retablere sin gode korrosionsbestandighed, skal disse anløbninger fjernes. Dette gøres bedst og billigst ved en bejdsning. Bejdsning (RS&K, kapitel 12.1) En af de alvorligste skavanker, man kan tilføre det rustfri stål er anløbninger (RS&K, kapitel ), og den slags fjernes gerne ad kemisk vej som regel ved en bejdsning. Selve bejdsebadet består typisk af % salpetersyre (HNO 3 ) og 1-8 % flussyre (HF). Højtlegeret stål kræver et aggressivt bejdsebad med højt indhold af flussyre, mens normalt, rustfrit stål af og 4401-klassen bedst bejdses med et relativt lavt indhold af HF. I stedet for flussyre kan man teoretisk set anvende saltsyre (HCl), hvilket dog medfører dels en mere aggressiv bejdse (kongevand!), dels en stor risiko for følgeskader i form af grubetæring. Saltsyreholdige bejdser kan i det hele taget ikke anbefales (se RS&K, kapitel ). Ved stuetemperatur er bejdsetiden normalt mellem 30 min. og flere timer afhængig af graden af anløbninger, der skal fjernes (jo mørkere, jo længere tid), og koncentrationen af metalforureninger i badet. Efter bejdsningen har man igen det rene stål uden nogen korrosionsmæssige svækkelser. Anløbningerne er blevet opløst effektivt, og det samme er det afkromede lag nedenunder, så efter en repassivering (sker i almindelig, fugtig luft), har stålet igen fået sin perfekte, korrosionsbestandige overflade. Overfladebehandling af rustfrit stål 1

3 Den dominerende ulempe ved en bejdsning er, at der er tale om generel korrosion, altså en ætsning. Dette betyder, at overfladeruheden vil stige, især for meget glatte emner, hvilket kan være yderst generende i medicinal- og fødevarebranchen, hvor ruheden skal holdes nede aht. mikroorganismer. Ofte opererer man med en maksimal ruhed (som R a ) på 0,6-0,8 µm. I tillæg til selve forøgelsen af ruheden kan variationer i overfladeruheden få emnet til at se mindre homogent ud, hvilket dog mest har kosmetisk betydning. Overfladeruhedens variation med ståltypen og bejdseprocessen findes i RS&K, kapitel Bejdset svejsesøm i et emne af Bemærk, at stålet får et glasblæst udseende. Dette skyldes, at en bejdsning indebærer en ætsning af stålet, hvilket forøger overfladeruheden. Påføringen af bejdsen sker lettest ved at dyppe emnet i bejdsebadet, men er dette ikke muligt, kan man anvende en fortykket bejdsepasta, som kan males på ved hjælp af en pensel. Dette er yderst nyttigt ved f.eks. montagesvejsninger, hvor man ikke ønsker at bejdse hele fabrikken, men blot svejsningerne. Det at kunne bejdse lokalt er i det hele taget den største fordel ved pastabejdsning, men uheldigvis medfører det indtil flere ulemper: Temperaturen. Bejdsen vil altid have emnets temperatur, og det kan medføre meget lange bejdsetider især ved udendørs bejdsning om vinteren. Mængden af syre er begrænset til det tynde lag bejdse. Ingen omrøring = ingen transport af korrosionsprodukter. Alt i alt er en pastabejdse derfor mildere og langsommere end en tilsvarende badbejdse med samme koncentration af HNO 3 og HF. For at kompensere er det normalt, at bejdsepastaer har højere syrestyrke end en tilsvarende badbejdse. Alligevel kan det blive nødvendigt at bejdse to eller flere gange, hvis anløbningerne er meget mørke. Overfladebehandling af rustfrit stål 2

4 Venstre: Pastabejdsning af en svejsesøm på indersiden af et 4436-rør. Aktuelt er der tale om anden bejdsning, da én ikke var tilstrækkeligt til at fjerne de mørke anløbninger. Højre: Steel-Tech Bejdsegel 122, et salpetersyre-flussyrebaseret produkt, der anvendes til almindelige rustfri og syrefaste stål. Bemærk, at de lavest legerede ferritiske ståltyper (f.eks og 4512) ikke er egnede til bejdsning, og ej heller de svovllegerede automatstål (4305) eller de martensitiske knivstål (f.eks og 4057) kan bejdses. De højere legerede ferritter som 4509 og 4521 kan bejdses, men man bør bruge en mildere og mindre aggressive bejdse end for de tilsvarende austenitter. Bemærk endvidere, at brugen af flussyre i Danmark fordrer en giftattest (fås i skrivende stund hos Arbejdstilsynet). Passivering (RS&K, kapitel 12.2) En passivering har til formål at styrke stålets naturlige, beskyttende oxidfilm, og i tilgift opløses blotlagte indeslutninger og andre korrosionsmæssige svækkelser. Begge dele gavner korrosionsbestandigheden. Badet er oftest en ren, % salpetersyre (HNO 3 ), og procestiden er normalt en time. Svovllegeret automatstål (4305) og lavtlegeret, ferritisk stål kan kun passiveres i dikromat-inhiberet salpetersyre. Se RS&K, kapitel En stor fordel ved en passivering er, at overfladeruheden ikke påvirkes, og en passivering er derfor fremragende til behandling af f.eks. slebne eller glasblæste overflader. En stor ulempe er til gengæld, Overfladebehandling af rustfrit stål 3

5 at anløbningerne omkring svejsningerne ikke fjernes. Har man anløbninger, slipper man altså ikke for enten en bejdsning eller en fin slibning efterfulgt af en bejdsning eller en passivering. Dekontaminering (RS&K, kapitel 12.3) Dekontaminering betyder afgiftning, og det er lige præcis, hvad der sker. Alle urenheder fjernes, mens selve det rustfri stål slet ikke påvirkes hverken anløbninger, det afkromede lag eller de frie flader. En dekontaminering er en slags avanceret opvask og påvirker hverken stålets overfladeruhed eller de almindeligste gummi- og plasticmaterialer, hvilket, hvilket gør processen særligt egnet til rensning af medicinsk udstyr eller andet, hvor en bejdsning eller passivering ikke kan anvendes, enten af hensyn til stålet selv eller sårbare pakninger. De fleste kunststoffer har det skidt med salpetersyre og andre sure oxidanter. En dekontaminering foretages typisk med en 2-10 % opløsning af en halvsvag syre (fosforsyre, salpetersyre, citronsyre, myresyre, oxalsyre o. lign.). Temperaturen kan være ºC og procestiden op til mange timer, hvis det er noget mere genstridigt, der skal fjernes. At fjerne jernoxider er ofte bade lettere og mindre risikabelt ved brug af en dekontaminering I stedet for den traditionelle bejdsning. Især en mix af citronsyre og fosforsyre har vist sig nyttig, og selvom man ofte kører ved meget høj temperatur, påvirkes overfladeruheden af stålet ikke. Billedet viser rouge i en autoklave. Jernafsmitninger er et specielt og meget genstridigt problem, som ofte kan klares med en dekontaminering. Rust (jernoxider og hydroxider) er kun langsomt opløseligt i salpetersyre, men langt bedre i en varm blanding af citronsyre og fosforsyre. Metallisk jern derimod opløses bedre i salpetersyre. For fjernelse af rouge i farmasystemer (f.eks. WFI) se RS&K, kapitel Overfladebehandling af rustfrit stål 4

6 Elektropolering (RS&K, kapitel 12.4) Elektropolering (el-polering) er den eneste overfladeproces, der kræver en ydre strømkilde. Badet er typisk en stærk blanding af svovlsyre og fosforsyre, temperaturen er oftest over 50 ºC, og selve emnet kobles anodisk ved hjælp af en ensretter. Under selve processen opløses en del af stålet, og da opløsningen primært sker fra toppen af overfladens mikroruheder, vil processen give en langsom nivellering, og overfladeruheden falder, hvilket igen medfører, at overfladen bliver blankere. Dette ses ved, at både R a og R z falder drastisk med poleringstiden (se RS&K, kapitel ). El-polering kan teoretisk set også opløse anløbninger, men gør det langt fra altid. Er der anløbninger, der skal fjernes, er det sikrere at foretage en bejdsning før elektropoleringen. Udover at producere en smuk blank overflade vil en elektropolering øge korrosionsbestandigheden af stålet. Faktisk er elektropolering den eneste proces, der er i stand til at hæve korrosionsbestandigheden væsentligt sammenholdt med en normal 2b-overflade, hvilket skyldes den lave overfladeruhed, der gør overfladen meget uegnet til at opsamle klorid og andre forureninger. Især over vandlinjen gør den fine ruhed, at salte og andre korrosive sager ikke så let kan blive siddende på stålet, og der kendes eksempler på, at elektropoleret 4301 klarer sig lige så godt som 4401, 2b. Ulempen ved el-polering er især prisen. Det er en kompliceret og dyr proces, dels pga. udstyret, dels pga. besværet med at montere katoderne de rette steder. El-polering er derfor en proces, der næsten udelukkende anvendes til særligt kritisk udstyr i f.eks. medicinalbranchen, hvor man netop ønsker den lave ruhed aht. rengøringsvenlighed og en minimal risiko for mikrobielle vækster. Overfladebehandling af rustfrit stål 5

7 Kemisk overfladebehandling af rustfrit stål, oversigt: Øverste tabel viser de omtrentlige data for brug af de forskellige overfladeprocesser, mens nederste tabel viser, hvilke grupper af rustfri stål, der er egnede til hvilke processer. Begge tabeller er yderst vejledende og uden garantier. Bad Temp. Tid Anløbninger Cr-oxider Ruhed Bejdsning % HNO % HF C 1 12 t. Fjernes Fjernes Stiger Passivering % HNO min. Nul effekt Styrkes Status quo Dekont % svage syrer t. Nul effekt Nul effekt Status quo El-polering % H 2 SO 4 + H 3 PO min. Nogen effekt (Fjernes) Falder Austenitisk (4301, 4401 m.fl.) 4539, SMO, duplex, o. lign. Automat-stål (4305) Ferritisk (4509 og bedre) Lavtlegeret ferrit (4003, 4512 m.fl.) Martensit Bejdsning OK Højt HF anbefales Lavt HF nødvendig Passivering OK OK Kromatinhiberet (2%) OK Kromatinhiberet (2%) Kromatinhiberet (2%) Dekontam. OK OK (OK) OK (OK) (OK) El-polering OK OK Mindre gode end austenit Alle kapitelhenvisninger er til bogen Rustfrit Stål og Korrosion (Claus Qvist Jessen, Damstahl, april 2011). Bogen bestilles lettest via. Overfladebehandling af rustfrit stål 6