Химическое пассивирование нержавеющих сталей

Химическая пассивация как оптимальное покрытие жаропрочной стали

Пассивация металла — процесс, в результате которого на поверхности металла образуется оксидная плёнка, препятствующая образованию коррозии. Название метода покрытия происходит от слова «пассивность». Цель пассивации — снизить химическую активность металла при взаимодействии с другими металлами или агрессивными условиями окружающей среды.

В своём роде, появление плёнки — то же разрушение металла. Но, разрушая верхний слой материала на несколько десятков нанометров, пассивация спасает нижние слои от появления ржавчины.

Таким образом, химическая пассивация — взаимодействие окислителя с обрабатываемой поверхностью.

Этапы химической пассивации

1. Если предварительно не подготовить металлическое изделие, то окислитель вступит в реакцию не со сплавом, а с посторонними элементами. Поэтому, перед пассивацией необходимо зачистить поверхность. Очистку выполняют 2 способами: мытьём или ошкуриванием изделия при помощи наждачной бумаги. Теперь можно приступить к пассивации.

2. Сам процесс представляет нанесение на изделие химического реагента. На сплаве образуется защитная плёнка, состоящая в основном из солей и окислов. Плёнка делает структуру изделия наиболее крепкой и долговечной. Эффективность процедуры зависит от следующих факторов:

• состав раствора;
• состав сплава;
• состояние поверхности обрабатываемой детали.

Лучше всего поддаются химической пассивации высоколегированные стали, особенно хромникелевые. А вот углеродистые стали следует обрабатывать только для кратковременной защиты, так как уровень защитного слоя на них существенно слабее.

3. Очистка при помощи воды. Соли, которые могли остаться на изделии, могут вызвать коррозию. Поэтому промывку следует проводить тщательно.

4. Остатки кислоты необходимо нейтрализовать с помощью 2-3 % раствора аммиака или раствора, состоящего из 25-30 г/л олеиновой кислоты и 2-4 г/л гидроксида натрия. Обработка проводится при 80 – 90 °С на протяжении 2-3 минут.

Какой раствор используется?

Использование различных растворов зависит от свойств сплава. Рассмотрим, какие растворы применяются для пассивирования различного класса черных металлов:

Высоколегированные сплавы, устойчивые к коррозии — азотная и серная кислоты.

• Сплавы ферритного класса — калий двухромовокислый, азотная кислота.
• Углеродистые стали — калий двухромовокислый, хромовый ангидрид, фосфорная кислота, гидроксид натрия.
• Среднелегированные стали — хромовый ангидрид, фосфорная кислота.

Температура и время пассивирования также зависят от класса сплава. Температура составляет диапазон от 18 до 90 °С, а время — от 3 до 60 минут.

Чем выше температура раствора, тем быстрее протекает процесс.

Применение пассивации

• Пассивация используется для металлических деталей под покраску. Она не только защищает от коррозии, но и обезжиривает изделия. Применяется в сфере машиностроения.
• Пассивация паровых турбин. Но зачем нужна пассивация нержавеющей стали, ведь она и так не поржавеет? Оказывается, если сплав находится в непрекращающемся контакте с агрессивной средой, то он может разрушиться. В качестве примера выступает сварной шов. Иногда на нём присутствуют частички железа. И тогда подвергается коррозии даже нержавейка.
• Стоматологическая область. Обрабатываются нижняя часть имплантов — винты, которые вмонтируются в челюсть. Пассивация используется для исключения разрушения импланта в челюстной кости.
• Химическая пассивация часто проводится с декоративной целью. При кратковременной обработке на поверхности появляется радужная плёнка. Яркие предметы использования — краны, дверные ручки.
• Пассивация украшений из бижутерии используется во избежание аллергических реакций.

Химическая пассивация заметно продлевает срок службы изделий из металла и заслуживает широкого применения в самых разнообразных областях.

Химическое пассивирование нержавеющей стали

Во многих сферах промышленности, строительства и ремонта используются инструменты, крепежи и метизы из нержавеющей стали. Но несмотря на то, что данный материал обладает повышенной устойчивостью к образованию коррозии, все же в некоторых случаях ржавчина может проявиться. Для предотвращения этого необходимо принятие дополнительных мер – химическое пассирование изделий.

Что такое пассивация?

Процесс пассивации позволяет вернуть нержавеющей стали свои первоначальные свойства, дополнительно защищая ее от воздействия многих внешних факторов. Это специальная химическая обработка металлических изделий, после проведения которой на их поверхности образуется специальное защитное покрытие. При взаимодействии с концентрированными кислотами на нержавеющей стали появляется малозаметная пленка. Этот процесс и называется пассивацией.

Прибегают к данному методу как для дополнительной обработки во время производства изделий, так и для восстановления основных свойств деталей из нержавейки.

Зачем это необходимо?

Лист нержавеющей стали имеет на своей поверхности очень тонкую оксидную пленку. Именно она и препятствует образованию ржавчины на деталях, крепежах, метизах, изготовленных из этого материала. Но малейшее нарушение целостности этого покрытия приводит к тому, что основные антикоррозийные свойства нержавейки утрачиваются. Причины повреждения оксидной пленки могут быть самыми разными:

при контакте материала с хлором; при взаимодействии стали с морской водой; в случае повреждений механическим или физическим путем, в том числе при царапинах и незначительных вмятинах.

Поэтому важно соблюдать условия эксплуатации, которые регламентированы заводами-производителями тех или иных изделий (столовых приборов, крепежей, метизов, рабочих инструментов, цельных листов и проч.). Запрещается использовать моющие средства, имеющие в своем содержании хлор и иные агрессивные химические вещества.

Но самый большой ущерб оксидной пленке наносит сварка. Особенно это губительно в случае сварки труб. В такой ситуации защитная поверхность разрушается вдоль всего шва. Для восстановления поверхностей и защиты изделий от образования ржавчины применяется пассивация стали. Но здесь еще не менее важную роль играет и состав нержавейки.

Классификация нержавеющей стали

Антикоррозийные свойства нержавейки напрямую зависят от ее состава. Исходя из этого данную сталь маркируют. Классификация позволяет различать каждый тип нержавеющего металла по гибкости, твердости, степени антикоррозийной защиты. В зависимости от состава и своего назначения различают:

мартенситные стали. Из них обычно изготавливаются ножи (в том числе и для пищевой промышленности), турбины. Эта сталь, имея в своем содержании большое процентное соотношение хрома, очень твердая; ферритные материалы. Количество хрома в такой стали превышает предыдущее значение на 3-4%. Этот материал имеет высокую устойчивость фосфорной кислоты, аммиачной селитры и азотной кислоты; аустенитные стали. Этот вид нержавеющей стали весьма пластичный. Часто его используют в машиностроении; дуплексные или ферро-аустенитные металлы. Это очень прочные, но вместе с тем пластичные нержавеющие материалы.

Исходя из состава нержавейки, можно определить, есть ли необходимость в дополнительной обработке изделий или нет. От этого же зависит и вероятность образования коррозии на поверхности элементов, изготовленных из этого вида стали.

Технология и методы

Существуют различные методы обработки нержавейки. Но выделяют два основных способа пассивации стали:

Травление химическими кислотами (концентратами) на отдельных участках. Эта технология часто применяется для обработки сварных швов, но допускается и в других случаях. Этот процесс имеет различные варианты последовательности обработки. Различаются они как по составу химических веществ, так и по времени проведения работ. Самым распространенным способом в этом случае является электролитическое травление. Эта технология заключается в том, что изделие из нержавеющей стали помещают в специально подготовленную ванну, состоящую из концентрированных кислот. Через этот состав пропускается электрический ток (переменный или постоянный). Металл играет роль либо катода, либо анода. Подаваемый ток оказывает механическое воздействие на сталь, благодаря чему происходит выделение водорода или газообразного кислорода. Это помогает отделению окисной пленки на поверхности изделия. Травления готовыми смесями кислот. Они могут быть изготовлены в виде паст, гелей, спреев, концентратов. Этот способ наиболее удобен.

Независимо от того, какой метод применяется для пассивирования нержавеющей стали, важно соблюдать последовательность выполнения работ.

Этапы химического пассивирования

В процессе формирования однородной инертной пленки на поверхности изделий из нержавейки важно учитывать особенности состава стали и степень повреждения защитного покрытия. Химическое пассивирование сегодня является неотъемлемой частью в работе с нержавеющими материалами. Это позволяет продлить срок их службы, избавиться от ржавчины и повреждений, а также предотвратить образование коррозии. Во время проведения работ по пассивации следует соблюдать поочередность этапов:

Сначала осуществляется очистка материалов от загрязнений. Удаляются жирные пятна, ржавчина и прочие налеты. При технологии травления химическими кислотами изделие погружают в ванну со смесью соляной кислоты и серной. При температуре от 60 до 80 градусов сталь здесь выдерживается в течение 20-40 минут. Если применяется метод травления готовыми смесями кислот, то для очистки используются специальные концентрированные составы (пасты, гели, спреи), которые наносятся на поверхность стали ручным способом. Химикат оставляют ориентировочно на 30 минут. Затем проводится тщательная промывка изделий водой. Начинается процесс пассивации. В первом случае сталь погружают в кислотную ванну. Во втором – наносят гели, пасты, спреи и прочие готовые химические составы на поверхность изделия. В случае с готовыми средствами предусмотрен еще один этап – обработка пассиватором. Это позволяет обеспечить принудительное образование оксидной пленки на нержавеющей стали. Последний этап состоит из тщательной промывки изделия.

Состав нержавеющей стали и марка играют далеко не последнюю роль во внешнем виде изделия после химического пассивирования. Некоторые виды имеют темный цвет, другие же более светлый. Но независимо от этого данный способ обработки стали имеет целый перечень преимуществ:

улучшается сопротивление к образованию коррозии; происходит равномерное сглаживание поверхности изделия; удаляются заусенцы, царапины, вмятины; срок службы изделий значительно увеличивается.

Где можно заказать услугу?

Данную процедуру должны проводить компетентные специалисты, имеющие большой опыт и определенные знания в этой области. В нашей компании работают настоящие профессионалы своего дела. Мы осуществляем химическое пассивирование нержавеющей стали, учитывая особенности ее состава, степень повреждения и размер изделия. Все работы осуществляются в специально отведенном месте и с соблюдением всех требований по технике безопасности.

Технология пассивации металла, виды и составы

Пассивация — это формирование на поверхности металла тонких оксидных или солевых пленок, которые защищают его от внешней коррозии. Такое покрытие препятствует контакту металла с кислородом и агрессивными средами. При пассивировании защитные пленки могут образовываться на металлической поверхности как естественным, так и искусственным путем. В первом случае они состоят из оксидов химических элементов, входящих в состав самого металла, а во втором могут включать в себя оксиды и соли других химических элементов. Например, чистый алюминий естественным способом образует очень стойкую оксидную пленку, поэтому устойчив к большинству видов коррозии. А вот изделия из его сплавов, содержащих химически активные компоненты, уже нуждаются в искусственной коррозионной защите и поэтому подвергаются пассивированию в солевых растворах.

Пассивацию широко применяют для защиты поверхностей изделий из стали, меди, никеля, алюминия и их сплавов. Даже защитные цинковые и кадмиевые покрытия пассивируют солями хрома для повышения их коррозионной и механической стойкости. Пассивирование металла вызывает образование на его поверхности слоя оксидов или солей толщиной в несколько микрон, что практически не влияет на геометрические размеры изделий. С другой стороны, такие пленки могут снижать контактную проводимость основного материала, но, как правило, в меньшей степени, чем слой корродированного металла.

Суть и описание процесса пассивации металла

При пассивировании поверхности металлических изделий обрабатывают растворами химических соединений, обладающих окислительными свойствами. В этой роли чаще всего выступают кислоты, нитриты и растворы солей хрома (реже — молибдена). Нанесение раствора на поверхность металлических заготовок производится методом погружения или вручную, с помощью специального оборудования. Применяемые при пассивировании растворы обычно состоят из основного реагента и нескольких добавок, ускоряющих и стабилизирующих процесс пассивации.

В общем виде процесс пассивирования состоит из следующих этапов:

1. Механическая очистка поверхностей изделия.
2. Химическое обезжиривание в растворе едкого натра и кальцинированной соды.
3. Промывка в проточной горячей, а затем холодной воде.
4. Пассивирование в течение заданного времени.
5. Нейтрализация в растворе кальцинированной соды.
6. Промывка путем многократного погружения в проточную холодную воду.
7. Сушка в сушильном шкафу или обдувом теплого воздуха.
8. Контроль качества поверхности после пассивирования производится визуальным или инструментальным способом. При неудовлетворительном результате процесс пассивирования повторяется, начиная с п. 1.

В приведенном примере описан технологический процесс пассивации с использованием стационарного производственного оборудования. Для пассивирования поверхностей изделий на месте их установки применяют ручные приводные инструменты и приспособления (см. фото ниже).

Свойства пассивированного металла и его применение

После пассивации на поверхности металла образуется устойчивый к коррозии слой, который в случае применения хроматов к тому же имеет повышенную механическую прочность. Некоторые металлы и сплавы склонны к естественной пассивации. Это особенно характерно для алюминия и нержавеющей стали с присутствием хрома. Но в случае нарушения структуры и химического состава поверхностного слоя они также могут подвергаться коррозии. При пассивировании нержавеющей стали для создания стойкой поверхностной защиты используется ее собственный хром, который, соединяясь с кислородом, образует плотную оксидную пленку. Все изделия из нержавеющей стали, работающие в агрессивных средах, заранее подвергаются пассивации, что помогает избежать (или отсрочить) их коррозию.

Пассивация железа и его сплавов в виде конструкционных и специальных сталей обычно проводится по покрытию из никеля, цинка или кадмия с использованием солей хрома. Такое пассивирование укрепляет поверхностный слой и позволяет эксплуатировать стальные изделия в течение длительного периода без опасности коррозии, а в случае ее проявления обрабатывать только пораженные участки. Пассивирование меди и ее сплавов (бронзы и латуни) выполняется как в защитных, так и в декоративных целях с применением хроматных растворов. В этом случае на поверхности медного изделия образуется тонкая прозрачная пленка, предохраняющая металл от окисления и сохраняющая его товарный вид.

Пассивирование серебра проводят для этих же целей с применением аналогичных технологий.

Виды пассивирования

По методу нанесения покрытия пассивирование бывает двух видов: химическое и электрохимическое. Кроме того, разновидности этой технологии классифицируют по типу химического элемента, из соединений которого образуется поверхностная пленка (хроматирование, никелирование, молибденирование и другие). Кроме того, выделяют естественную пассивацию — процесс образования защитного слоя у ряда металлов и сплавов под воздействием атмосферного и растворенного в воде кислорода.

Химическое

Химическое пассивирование происходит в результате притяжения отрицательных ионов растворенных в воде солей к поверхности металла, атомы которого имеют положительный потенциал. Для этого металлические изделия, предварительно очищенные и обезжиренные, помещаются в специальную ванну, заполненную соответствующим раствором. Основным компонентом в таком электролите является соль металла, образующего защитную пленку на поверхности изделия. Химическая пассивация также может выполняться по месту установки изделия. В этом случае все процессы, начиная от очистки и заканчивая пассивацией, нейтрализацией и обмывкой, выполняются вручную с помощью специального оборудования.

Электрохимическое

Электрохимическая пассивация основана на принципах гальванотехники. В этом случае металлические заготовки также помещаются в ванну с электролитом, но осаживание пассивирующего слоя происходит не в пассивном режиме, а под воздействием тока, протекающего через электролитический раствор. При такой пассивации положительный потенциал подается на заготовку, а отрицательный — на корпус ванны. При использовании электрохимического способа защитная пленка образуется быстрее и получается более ровной. Но такая технология дороже химической пассивации, т. к. в ней применяется более сложное оборудование и происходит расход электроэнергии.

Содержание составов для пассивации

В состав растворов для пассивации цветных металлов в качестве основного реагента чаще всего входят хроматы калия и натрия, а также хромовый ангидрид. Для создания кислой среды в такие электролиты добавляют различные кислоты и соли, состав которых влияет на скорость создания и равномерность защитной пленки. Пассивирование меди проводят в растворах, содержащих в небольших количествах серную кислоту. При обработке алюминия в состав электролитов включают фосфорную кислоту, а для пассивации цинка и кадмия используют добавки в виде азотной и серной кислот. Содержание пассивирующих растворов для обработки изделий из стали зависит от их состава и часто включает в себя азотную кислоту и ее соли.

Все соли хрома (особенно шестивалентного) очень токсичны. Поэтому проводить хромовую пассивацию металлических изделий можно только на специализированных производствах, имеющих соответствующие системы очистки и водоотведения, а также специально обученный персонал.

Нигде не пишут, каким образом выполняется пассивирование солями хрома непосредственно в местах установки оборудования. Как в этих случаях удаляют химические реагенты? Или при такой обработке применяют другие составы? Если кто-нибудь располагает информацией по данному вопросу, поделитесь, пожалуйста, в комментариях к нашей статье.

Химическое пассивирование нержавеющих сталей

Нержавеющая сталь является популярным материалом для различных изделий, ведь она обладает высокой устойчивостью к коррозии. Но, конечно, это защита не идеальна. Чтобы сделать её максимально эффективной, рекомендуют проводить пассивацию. Более того, эта операция обязательна в некоторых случаях, например, если нержавейка находится в слишком агрессивных условиях, теряет свою защиту и склонна к коррозии.

Откуда в нержавейке защита от коррозии?

Для начала давайте разберёмся, что такое коррозия, да и как она вообще образуется. Коррозия – это процесс, при котором на поверхность металла влияют агрессивная среда и другие внешние факторы, из-за чего поверхность постепенно разрушается. Интересно знать, что коррозия действует на металл послойно, доходя до внутренней структуры. Зачастую исправить ситуацию невозможно, так что приходится заменять поражённую сталь на новую.

Как же можно защитить нержавейку от такой беды? Именно в этом случае нас и спасёт пассивирование. Оно помогает создать крепкую защиту от коррозии. Итак, нержавеющая сталь, которая состоит из множества примесей (кобальт, марганец, молибден, никель, ниобий) имеет один главный элемент, благодаря которому и наблюдается такое свойство, как устойчивость к коррозии, – хром. Он составляет от 12 до 20% в стали.

При этом, хотим отметить, что нержавейка, в которой состав хрома колеблется от 12 до 16% проявляет свою устойчивость к коррозии только при контакте с обычным воздухом. В агрессивной среде защитный слой быстро придёт в негодность. Нержавейка с хромом 17% и больше может выдерживать более тяжёлые условия. Так, она может даже взаимодействовать с азотной кислотой, не теряя своих преимуществ.

Если же вам необходимо ещё больше увеличить устойчивость к коррозии, то в состав стали не только добавляют больше хрома, но и включают новые элементы (например, молибден, медь и другое). Собственно, это и называется пассивированием металла.

При этом важным нюансом является состояние поверхности и защитная плёнка. Так, они не должны иметь повреждений, а для лучшего результата поверхность должна быть гладкой, а плёнка – однородной. Более того, защитный слой должен обязательно распределяться равномерно для лучшей эффективности.

Откуда появляется коррозия?

Само название «нержавеющая сталь» говорит о том, что, по идее, такое изделие не должно ни при каких обстоятельствах ржаветь или же подвергаться коррозии, но на деле всё не совсем так. Конечно, химический состав нержавейки предусматривает особые элементы, которые и делают её такой устойчивой к коррозии, но это не исключает возможности её появления. Ведь ничто не даёт нам 100% защиты.

Более подробно поговорим о причинах возникновения коррозии. В первую очередь следует упомянуть, что недостаточное количество хрома или же его неравномерное распределение способствует ослаблению свойств нержавейки. Одной из распространённых причин также называют взаимодействие с обычными металлами. Именно поэтому рекомендуется хранить нержавейку отдельно. Разрушению и возникновению коррозии подвержены ещё и те изделия из нержавейки, которые соединены с помощью сварки.

Последняя названная причина является одной из самых важных. Ведь в этом случае даже максимальное количество хрома не спасёт. Чтобы избежать нежелательных последствий, следует серьёзно отнестись к восстановлению защитного слоя. Сначала необходимо зачистить и отполировать сварочные швы, то есть избавиться от неровностей и ненужных примесей. Это делается с помощью шлифовальной машинки, а также металлической щётки. И не забывайте, что эти инструменты не должны взаимодействовать с обычным металлом! Только после этого следует приступать к пассивации.

Одной из мер предосторожности считают использование отдельных инструментов для разного типа сталей. Ведь на инструментах могут остаться частицы обычного металла, а нам уже известно, что нержавейка не должна взаимодействовать с ним, иначе шансы на возникновение коррозии увеличиваются.

Итак, как мы уже выяснили, единственным способом защиты от коррозии является пассивация. Это предусматривает использование специального раствора, в состав которого входит азотная кислота. Именно он и помогает нержавейке создать защитный слой из оксидной плёнки, которая и предотвращает возникновение коррозии.

Мы неоднократно предупреждали, что нержавейка не должна взаимодействовать с другими видами металла. Но что делать, если вы не знаете, взаимодействовал ли тот или иной инструмент с чем-то ранее? Есть ли на нём частицы обычного металла? В этом случае мы предлагаем два способа решения возникшей проблемы.

1. Обработка водным раствором азотной кислоты и ферроцианида калия

Если вы хотите проверить, есть ли на инструменте частицы железа, то его следует обработать таким вот раствором (водный раствор азотной кислоты и ферроцианида калия). Железо при реакции приобретает синий цвет. Конечно, такой способ проверки больше подходит для производственной лаборатории, чем для бытовых условий.

2. Смачивание водой

Достаточно простой способ. Поместите инструмент в воду и оставьте на несколько часов. Железо, вступая в реакцию с водой, начинает ржаветь, так что таким образом тоже можно определить, есть ли на инструменте частицы свободного железа.

Виды коррозии

Мы уже обсудили, как можно защитить нержавейку от коррозии, но вот о самой угрозе известно не так уж и много, а врага ведь нужно знать в лицо! Поэтому следует изучить, какие бывают виды коррозии:

1. Щелевая коррозия. Возникает, если детали на протяжении долгого времени соприкасаются. Коррозия развивается в местах крепления.

2. Точечная коррозия. Имеет другое название – питтинговая коррозия. Возникает, если защитный слой оксидной плёнки повреждён механическим путём.

3. Гальваническая коррозия. Возникает при контакте нержавейки с обычным металлом в среде, проводящей ток. Более всего вероятно возникновение этого вида коррозии на нержавейке, которая используется в морской воде.

4. Межкристаллитная коррозия. Возникает, если нержавейка была подвержена воздействию слишком высокой температуры (500°С и выше). В этом случае могут формироваться карбиды хрома и железа на границах кристаллической решётки. Это является причиной, почему металл теряет свою прочность.

5. Эрозивная коррозия. Возникает при постоянном нахождении нержавейки в абразивной среде. Это приводит к разрушению оксидной плёнки. И из-за того, что она не успевает восстанавливаться, нержавейка может быть подвержена коррозии.

Как мы видим, существует множество причин, почему может быть разрушена защитная оксидная плёнка. Но всё это приводит к одному результату – возникновению коррозии. Хотим отметить, что самой распространённой причиной её начала является использование чистящих средств с огромным содержанием хлора.

Пассивирование нержавеющей стали

Нержавеющая сталь лишь в теории может постоянно находиться в благоприятной среде. А на практике изделия из нержавейки часто используются в достаточно агрессивной среде, что приводит к мысли о дополнительной защите. Именно для этого и необходимо пассивирование. Для каких изделий это нужно в первую очередь?

1. Крепёжные элементы;

2. Корпусные элементы, используемые в морской воде;

3. Трубные конструкции;

При этом хотим отметить, что пассивация не всегда является целесообразным решением. Более того, в некоторых случаях пассивация может даже привести к ухудшению защитных свойств нержавейки. Поэтому не следует поступать необдуманно. Сначала необходимо проанализировать все условия, чтобы убедиться в абсолютной необходимости такой обработки нержавейки.

Итак, что же должна дать пассивация? Равномерный и однородный защитный слой. Этого можно достигнуть, если строго соблюдать все правила и проходить каждый этап чётко по инструкции.

Суть процесса состоит в том, что нержавейка покрывается особым раствором из азотной или лимонной кислоты. Сюда в некоторых случаях могут добавлять и бихромат натрия. Пассивация, как правило, необходима для защиты внешнего слоя. Это тоже следует учитывать.

И последнее. Не существует единого химического состава, ведь он зависит от температуры нагрева, времени выдержки и марки нержавейки.

Надеемся, статья ответила на все возникшие у вас вопросы.