Claus Qvist Jessen: Rustfrit stål; overflader til food/pharma DTU d. 26. august 2015

Transkript

1 Claus Qvist Jessen: Rustfrit stål; overflader til food/pharma DTU d. 26. august 2015 Agenda; DTU d. 26/ Korrosion af rustfrit stål Hvad er rustfrit stål? Korrosionsformer, legeringselementer, miljøforhold etc. TID er en faktor Hvorfor er to timer ikke det samme som en måned eller tre? Hvad betyder det for korrosionsprøvning? Beskrivelse af en overflade Hvad er en overflade, og kan man overhovedet beskrive den med et enkelt tal? Teori vs. praksis Korrosion og rengørlighed for forskellige overflader. Hvorfor passer teori og praksis ikke altid sammen? Mine egne anbefalinger: Hvilken overflade er bedst i praksis til tanke, rør og andet maskineri? 1

2 Rustfrit stål?? DIN/EN 10020: Jernlegering (Fe) Mindst 10,5 % krom (Cr) Max 1,2 % kulstof (C) Passivitet = uopløselige korrosionsprodukter Cr-oxider 5-10 nm O e H + 2 H 2 O e - Repassivering Fe Fe e - Lokal nedbrydning af passivlaget, intern galvanisk kobling og meget hurtig korrosion 2

3 Fiskelinesyndromet Fiskelinesyndromet Ik så ring endda Træls 3

4 Korrosionsformer, RS Generel korrosion Syrekorrosion Ensartet aftræk Stort materialetab Lang tid til gennemtæring Grubetæring / pitting Lokal nedbrydning af oxidlag Intern galvanisk kobling Lokal korrosion Hurtig gennemtæring Interkrystallinsk korr. Karbider i korngrænserne Lokal afkromning Selektivt angreb langs korngrænserne Spaltekorrosion Geometriske problemer Flanger / svejsefejl Diffusion / giftigt lokalmiljø Korrosion i spalten Spændingskorrosion Skiftevis aktiv/passiv Revner / mikro materialetab Ekstremt kvik gennemtæring Kan ikke repareres Korrosionsformer, RS Generel korrosion Syrekorrosion Ensartet aftræk Stort materialetab Lang tid til gennemtæring Grubetæring / pitting Lokal nedbrydning af oxidlag Intern galvanisk kobling Lokal korrosion Hurtig gennemtæring Interkrystallinsk korr. Karbider i korngrænserne Lokal afkromning Selektivt angreb langs korngrænserne Spaltekorrosion Geometriske problemer Flanger / svejsefejl Diffusion / giftigt lokalmiljø Korrosion i spalten Spændingskorrosion Skiftevis aktiv/passiv Revner / mikro materialetab Ekstremt kvik gennemtæring Kan ikke repareres 4

5 Korrosion / rustfrit stål Stålet Miljøet Cr Mo N Ni S, P C Cl - Temp. E korr ph Over/under TID! vand? Korrosion / rustfrit stål Langtidspåvirkninger er altid værre end korttidseksponering En grov overflade over vandlinjen giver lang kontakttid = større risiko for korrosion samt dårligere rengørlighed TID er en undervurderet faktor, både mht. korrosion og rengøring Overfladebehandlingen er essentiel for kontakttiden og derved risikoen for korrosion / bakterievækster. 5

6 Korrosionsprøvning, RS Grubetæring / pitting: Cyklisk polarisation (CYP) el. kritisk pittingtemperatur (CPT) Veldefineret materiale Veldefineret overfladebehandling Veldefineret medie (Cl -, salte, ph ) Veldefineret temperatur (variabel i CPT) Veldefineret potentiale (variabel i CYP) Hurtig metode tager et par timer (især CYP, til dels CPT) Spaltekorrosion: Udefinerbar og ureproducérbar spaltegeometri Udefinerbart miljø i spalten Tager lang tid at initiere (> 1-2 uger) Ses langt fra altid ved CYP eller CPT pga. den korte tid Normalt: Man måler CPT og trækker 25 C fra Spændingskorrosion: Mekaniske trækspændinger Klorid, ph og især inddampning er kritisk Meget svær (= umulig!) at simulere i laboratoriet Hyppigste test af rustfrit stål (især CYP). Kun til neddykkede forhold. Større risiko i praksis, men testes sjældent. Tager for lang tid. Klart værste korrosionsform; ret almindelig, men testes aldrig! Korrosionsprøvning, RS Grubetæring / pitting: Cyklisk polarisation (CYP) el. kritisk pittingtemperatur (CPT) Veldefineret Laboratoriet materiale kontra det virkelige liv: Veldefineret overfladebehandling Veldefineret Laboratoriemålinger medie (Cl -, salte, ph ) laves næsten altid som Veldefineret korttidsmålinger. temperatur (variabel Disse i CPT) skal simulere virkelighedens Veldefineret potentiale (variabel i CYP) langtidseksponeringer, og det lader sig ikke gøre. Hurtig metode tager et par timer (især CYP, til dels CPT) Hyppigste test af rustfrit stål (især CYP). Kun til neddykkede forhold. Spaltekorrosion: De snævreste spalter og overflader med mange indre Udefinerbar spændinger og ureproducérbar ignoreres. spaltegeometri Dvs. spaltekorrosion og SPK Udefinerbart miljø i spalten medtages kun sjældent i laboratoriet. Tager lang tid at initiere (> 1-2 uger) Ses langt fra altid ved CYP eller CPT pga. den korte tid Normalt: Slebne Man måler og andre CPT og grove trækker overflader 25 C fra klarer sig derfor bedre i laboratoriet, end de gør det i praksis både Spændingskorrosion: mht. grubetæring og spaltekorrosion og ofte mht. Mekaniske trækspændinger rengørlighed. Klorid, ph og især inddampning er kritisk Meget svær (= umulig!) at simulere i laboratoriet Større risiko i praksis, men testes sjældent. Tager for lang tid. Klart værste korrosionsform; testes aldrig! 6

7 Mulige overflader? 2B: Standard leveringsform; koldvalset tyndplade, normalt kedeligt grå og ikke særligt dekorativ. Billigste løsning og langt fra den ringeste funktionelt. Bejdset: Halvmat, grå og kedelig. Fin korrosionsbestandighed, men endnu mere uattraktiv end 2B. Slebet: Smuk og blank. Arkitekter og designere elsker den slags. Børstet: Finere end slebet og ofte endnu blankere. Poleret: Superreflekterende, men dyr og meget arbejdskrævende. Elektropol.: Superblank; laves i elektrokemisk bad ikke manuelt. Perfekt på alle planer, men dyr og besværlig. SEM-fotos: Slebet, 2B, glasblæst og elektropoleret Slebet, SiC, k80 Glasblæst 1 mm, 2B Elektropoleret 7

8 Ruhedsprofiler Cut-off-længde (l r ) typisk 0,8mm. Målelængden (l n ) er 5 x cut-off. Indenfor hver l r måles alle toppe og dale. R a er en middelværdi over hele cut-off-længden. Midles for hele målelængden (= 5 x cut-off). R z er de fem højeste toppe minus de fem dybeste dale indenfor l r. R z er altid højere end R a og er bedre til at beskrive ekstremer = dér hvor korrosionen starter. Ruhedsprofiler Forskellige ruhedsprofiler med samme R a, men meget forskellig overfladetopografi. Store forskelle i korrosionsbestandighed og rengørlighed, men forskellen ses ikke ved kun at måle R a. R a er brugbar til at sammenligne overflader med ens behandling (fx slebet vs. slebet). R a er ikke god til klassificering af meget forskellige overflader. R z er bedre (især mht. korrosion). FDA, 3A og EHEDG elsker R a! R a = 0,8 µm er blevet en slags uofficiel standard. Svær at komme udenom. Den ideelle overflade er meget afhængig af produktet. 8

9 Mikroslib; 4404, P80 Målinger af overfladeruheden kan let give et kunstigt pænt billede af overfladen. Snævre spalter kan ikke medtages i ruhedsmålingen. Rigtige overfladeprofil Måling med uendeligt fin ruhedsmåler Måling med ruhedsmåler af en vis tykkelse Foto: Rasmus Lage, Surface Project ; DTU, 2012 Mikroslib; 4404, P80 Målinger af overfladeruheden kan let give et kunstigt pænt billede af overfladen. Snævre spalter kan ikke medtages i ruhedsmålingen. Pickup: µm tykke, så dybe, snævre spalter medtages ikke i en normal ruhedsmåling. Rigtige overfladeprofil Dybe huler og spalter når ikke altid at slå igennem i korrosionsprøvninger som spaltekorrosion. Måling med uendeligt fin ruhedsmåler Måling med ruhedsmåler af en vis tykkelse Ruhedsmålinger af slebne overflader bliver let for lyserøde, både mht. korrosion og rengørlighed. Foto: Rasmus Lage, Surface Project ; DTU,

10 Overfladebehandling af rustfrit stål Mekanisk Kemisk Slibning Børstning Blæsning Bejdsning Jo grovere overflade, jo ringere korrosionsbestandighed Grov overflade: Større risiko for dannelse af lokale, kritiske forhold Flere blotlagte indeslutninger (sulfider, fosfider mm.) Bejdsning: Fjerner korrosionsmæssige svækkelser og urenheder Opløser og fjerner kritiske indeslutninger Mekanisk overfladebehandling Korrosionsprøvning (pitting, CYP) af EN / AISI 304 2B (leveringstilstand) Uden kemisk efterbehandling Bejdset efter mekanisk behandling Meget grov overflade Rimeligt fin 10

11 Rengøring af grove overflader Meget lille areal til CIP-væsken + dårlig cirkulation i bunden 3D-scan af glasblæst / elpoleret overflader Glasblæst (4307): R a = 2,33 µm R z = 13,50 Glasblæst + elektropoleret: R a = 1,18 µm R z = 5,33 11

12 Slebet overflade vs. 2B over vandlinjen Slebet vs. 2B Slebet stål har ringere korrosionsbestandighed En ru overflade giver længere kontakttid Slebet overflade kontra 2B rust Saltkar (4404) fra ostemejeri, Jylland Miljø: Koncentreret saltlage, men der sker aldrig korrosion indefra heller ikke ved brug af det ringere 4301 rust 12

13 Slebet overflade kontra 2B 4404; 2,0 % Mo 4432; 2,5 % Mo PREN 23.1 PREN 24,8 2B Slebet Forskellen mellem 2B og slebne overflader bliver meget større overgrubetæring vandlinjen over end vandlinjen; fuldt neddykket pga. og den stærkt Overfladisk hhv. saltkar stigrør på ostemejeri; begge syrefast,ved tanken 4404, røret af forøgede kontakttid denafslebne overflade. Svækket overflade + lang kontakttid = korrosion! SEM-fotos: Slebet, 2B, glasblæst og elektropoleret Slebet, SiC, k mm, 2B 2 2 Glasblæst Elektropoleret 4 Fig. 11.1, p Korrosionsbestandighed 1 Arkitekter og designere 13

14 Praktiske erfaringer: Slebne plader/rør vs. kedelige grå (2B) Slebne plader/rør: + Flottere udseende arkitekterne bliver glade + Mere homogen overflade = lettere inspektion Dårligere korrosionsbestandighed (højere ruhed + blotlagte indeslutninger) Større overfladeareal Større risiko for opsamling af skidt Dårligere rengørlighed (CIP) Risiko for (rustfrit) slibestøv i produktet Slibning er en dyr proces(!) Slebet overflade Koldtvalset 2B Svejsninger kontra slibninger Til tanke: Lad svejsningerne være, og lad være med at slibe. En god svejsning er bedre end en slebet trods større ruhed. Overfladen er meget blød og jævn. Skal der partout slibes, så gør det i et smalt bånd (fx 40 mm på hver side af svejsesømmen) FDA m.fl. fokuserer desværre 100 % på R a. 14

15 Overfladeanbefalinger Kosmetik Funktionalitet Slibning Glasblæsning Polering Elektropolering Ingenting (2B) Bejdsning Polering Elektropolering Bøger om rustfrit stål, korrosion og hygiejnisk design

16 Info / Heldagsarr. 21. okt. 2015: Metallurgi, korrosion, miljøforhold, overfladebehandling, hygiejnisk design mm. Info / 16

17 Info / Kontaktadresser Damstahl a/s Danmarksvej 28; 8660 Skanderborg, Danmark (+45) Teknisk support / inspektion Claus Qvist Jessen (kemiingeniør, PhD, rustfri nørd) cqj@damstahl.com (+45) (+45) Erik-Ole Jensen (maskiningeniør, svejsning, inspektion) eoj@damstahl.com (+45) (+45)