Korozja to temat, z którym prędzej czy później zderza się każdy inżynier, technik, konstruktor czy majsterkowicz. W pewnym momencie pojawia się pytanie: dlaczego jedne metale rdzewieją na potęgę, a inne „same się bronią”? Osoby szukające praktycznego wyjaśnienia trafiają zwykle na hasło pasywacja metali. Poniżej znajduje się konkretne omówienie: które metale się pasywują, w jakich warunkach, jakie ma to znaczenie w technice i kiedy na tę „samoobronę” lepiej nie liczyć.
Czym jest pasywacja metali – w praktycznym ujęciu
Pasywacja to zjawisko, w którym na powierzchni metalu tworzy się bardzo cienka, ale szczelna warstwa produktów reakcji, która skutecznie spowalnia dalszą korozję. Z technicznego punktu widzenia ważne są trzy elementy:
- powstaje warstwa tlenkowa lub inna warstwa ochronna, przeważnie o grubości rzędu nanometrów;
- ta warstwa jest zwarta, dobrze przylega i trudno się rozpuszcza w danym środowisku;
- po naruszeniu (zarysowaniu) często potrafi się samoistnie odbudować.
Nie każdy metal jest do tego zdolny i nie w każdych warunkach. Pasywacja zawsze dotyczy konkretnego układu metal – środowisko. Ten sam materiał może być świetnie pasywny w powietrzu, a agresywnie korodować w roztworze chlorków.
Pasywność nie jest cechą „wrodzoną” metalu, tylko efektem jego reakcji z otoczeniem. Zmiana środowiska może w kilka godzin zamienić metal pasywny w intensywnie korodujący.
Metale łatwo ulegające pasywacji
Istnieje grupa metali, które w typowych warunkach otoczenia tworzą stabilną warstwę pasywną praktycznie „z definicji”. W praktyce technicznej mają ogromne znaczenie, bo pozwalają projektować trwałe konstrukcje bez ciągłego malowania czy smarowania.
Aluminium i jego stopy
Aluminium to jeden z najlepszych przykładów. W kontakcie z tlenem tworzy warstwę Al₂O₃, mającą tylko kilka nanometrów, ale bardzo szczelną. Właśnie dlatego „gołe” aluminium nie rdzewieje tak spektakularnie jak stal – powierzchnia przyciemnieje, ale nie rozsypuje się w proszek.
Ta warstwa:
- tworzy się spontanicznie w powietrzu;
- do pewnego stopnia się odbudowuje po zarysowaniu;
- jest dość odporna na wodę i słabe roztwory wodne.
Problemy zaczynają się w środowisku zawierającym jony chlorkowe (Cl⁻) – np. w wodzie morskiej. Wtedy pasywna warstwa może być lokalnie przebijana i pojawia się korozja wżerowa. Z tego powodu w konstrukcjach narażonych na działanie soli stosuje się odpowiednie stopy aluminium i dodatkowe powłoki (np. anodowanie, farby proszkowe).
Chrom i stale nierdzewne
Czysty chrom tworzy bardzo stabilną warstwę Cr₂O₃. W praktyce technicznej częściej wykorzystywane są jednak stale nierdzewne, gdzie chrom jest jednym z głównych dodatków stopowych.
Ogólna zasada: stal zawierająca co najmniej ok. 10,5% Cr (plus niska zawartość węgla) jest w stanie utworzyć na powierzchni warstwę tlenków chromu, która pasywuje cały stop. Ta warstwa:
- jest bardzo cienka, niewidoczna gołym okiem;
- powstaje i odnawia się w obecności tlenu (np. powietrza, napowietrzonej wody);
- chroni stal przed typową „rdzą”, czyli tlenkami żelaza.
W codziennej praktyce widać to choćby w kuchni: zewnętrzna ścianka garnka ze stali nierdzewnej nie pokrywa się płatami rdzy, nawet po latach, pod warunkiem, że nie ma długotrwałego kontaktu z mocnymi chlorkami czy kwasami.
Tytan – „pancerny” w wielu środowiskach
Tytan tworzy na powierzchni warstwę TiO₂, znaną z wyjątkowej odporności na korozję w wielu środowiskach, w tym w roztworach chlorków. Dlatego tytan i jego stopy są wykorzystywane:
- w przemyśle chemicznym (aparatura, wymienniki ciepła);
- w medycynie (implanty, śruby kostne);
- w lotnictwie i energetyce.
Ta pasywna warstwa jest tak stabilna, że tytan jest w stanie wytrzymać warunki, w których aluminium czy stal nierdzewna dawno by się poddały. Ograniczeniem jest głównie temperatura i skrajnie agresywne media, np. gorące stężone kwasy redukujące.
Metale szlachetne i ich specyficzna „pasywność”
Metale szlachetne – złoto, platyna, pallad – często traktowane są jako materiały, które „w ogóle nie korodują”. To uproszczenie. W ich przypadku odporność wynika głównie z bardzo małej skłonności do reakcji utleniania, a nie z klasycznej warstwy pasywnej.
Z punktu widzenia techniki istotne jest jednak podobieństwo efektu końcowego: w typowych warunkach te metale zachowują powierzchnię praktycznie niezmienioną. Złoto stosowane w elektronice (złącza, styki) nie tworzy grubych warstw tlenków, więc opór kontaktowy pozostaje niski przez długi czas. Platyna i iryd, choć drogie, znajdują zastosowanie tam, gdzie wymagana jest ekstremalna odporność chemiczna.
W wielu przypadkach projektowych metale szlachetne traktowane są tak, jakby były „trwale pasywne”, choć mechanizm ich odporności jest inny niż w przypadku aluminium czy stali nierdzewnych.
Metale, które pasywują się tylko w określonych warunkach
Niektóre metale potrafią wejść w stan pasywny, ale wymaga to ściśle określonych warunków. W praktyce oznacza to, że ich zachowanie jest mocno zależne od środowiska i parametrów procesu.
Żelazo i stal w środowisku utleniającym
Czyste żelazo i zwykłe stale węglowe kojarzą się głównie z rdzewieniem. Tymczasem na diagramach potencjał–pH (tzw. diagramy Pourbaix’a) widać wyraźnie, że istnieją zakresy, w których żelazo może być pasywne. Są to zwykle:
- środowiska o odpowiednim pH (najczęściej obojętne do lekko zasadowych),
- z dostateczną ilością utleniacza (np. tlenu rozpuszczonego w wodzie).
W takich warunkach na powierzchni stali może powstawać cienka warstwa tlenków i wodorotlenków żelaza, która do pewnego stopnia ogranicza dalszą korozję. Problem w tym, że w praktycznych warunkach (zmienne pH, obecność chlorków, naprężenia, uszkodzenia mechaniczne) ta ochrona okazuje się mocno zawodna.
Z tego powodu w konstrukcjach krytycznych rzadko zakłada się, że zwykła stal „będzie pasywna”. Stosuje się raczej ochronę powłokową (farby, powłoki cynkowe) lub ochronę katodową.
Molibden, nikiel i inne dodatki stopowe
Metale takie jak nikiel (Ni) czy molibden (Mo) pełnią kluczową rolę jako dodatki stopowe wzmacniające pasywność innych metali. Sam nikiel w czystej postaci ma umiarkowaną odporność korozyjną, ale w stalach nierdzewnych:
- stabilizuje określoną strukturę (austenit),
- poprawia odporność w środowiskach kwasowych.
Molibden z kolei wzmacnia odporność warstwy pasywnej w środowiskach zawierających chlorki. To dlatego stale typu 316 (z Mo) są dużo odporniejsze na wodę morską niż klasyczne 304. Tutaj pasywność jest efektem synergii kilku pierwiastków, a nie właściwością jednego metalu.
Metale trudniej ulegające pasywacji
Nie wszystkie metale „lubią” pasywację. Część z nich tworzy tlenki o słabej przyczepności, porowate, łatwo odpadające. Przykładem jest miedź – tworzy patynę, która w pewnym stopniu chroni metal, ale nie jest tak szczelna i stabilna jak warstwa na aluminium czy tytanie.
Innymi przykładami są metale aktywne, takie jak magnez
Świadome wykorzystanie pasywacji pozwala oszczędzić ogromne pieniądze na serwisie, wymianie elementów i przestojach. W praktyce technicznej pasywność metali przekłada się na szereg konkretnych decyzji projektowych. Najczęstszy błąd na etapie projektu to założenie, że „nierdzewka to nierdzewka” lub że „aluminium nie rdzewieje”. Tymczasem: Dobór materiału opiera się więc nie tylko na jego wytrzymałości mechanicznej, ale właśnie na stabilności warstwy pasywnej w konkretnym środowisku. Oprócz naturalnej pasywacji stosuje się też procesy przemysłowe wzmacniające ten efekt. Przykłady: Bez tych procesów naturalna warstwa pasywna mogłaby być niewystarczająca w ciężkich warunkach eksploatacji.
W konstrukcjach narażonych na korozję liczy się nie tylko dobór stopu, ale też to, co dzieje się z powierzchnią w ostatnich etapach produkcji: szlifowanie, trawienie, pasywacja chemiczna, obróbka cieplna.
Pasywność metalu nie jest dana raz na zawsze. W praktyce spotyka się typowe sytuacje, w których nawet bardzo odporne materiały zaczynają korodować. Do najważniejszych należą: Dlatego w wielu normach materiałowych oprócz składu stopu i własności mechanicznych pojawiają się dokładne wytyczne, jakich środowisk należy unikać, aby nie „zabić” pasywności materiału. W praktyce inżynierskiej warto pamiętać o kilku zasadach: Świadome podejście do pasywacji metali pozwala unikać kosztownych błędów – od drobnych awarii instalacji po poważne uszkodzenia konstrukcji, które na papierze „miały być nierdzewne”.Znaczenie pasywacji w technice i projektowaniu
Dobór materiału do środowiska pracy
Obróbka powierzchniowa a pasywność
Kiedy pasywacja przestaje działać
Podsumowanie – na co zwracać uwagę, myśląc o pasywacji