Analiza porównawcza korozji stali nierdzewnej i stali węglowej pokrytej powłoką galwaniczną  oraz dobór materiałów do produkcji elementów złącznych

Celem niniejszego artykułu jest omówienie korozji w ujęciu ogólnym – nie ma on na celu przedstawienia wyczerpujących informacji dotyczących wszystkich form korozji ani szczegółowej analizy wytrzymałości i wad poszczególnych stopów. Korozja stali nierdzewnej i węglowej przebiega w bardzo różny sposób, dlatego niniejszy artykuł zawiera informacje dotyczące ogólnego oddziaływania lub korozji powierzchniowej, ponieważ często jest to główny czynnik brany pod uwagę przy wyborze materiału na elementy złączne.

Stal węglowa i nierdzewna to najczęściej stosowane materiały do produkcji elementów złącznych, a każdy z nich jest dostępny w setkach stopów lub gatunków o szerokiej gamie właściwości. Początkowy koszt elementu ze stali nierdzewnej jest zazwyczaj wyższy niż elementu ze stali węglowej, choć nie zawsze. Na przykład materiał stanowi mniejszą część kosztu sprężystego kołka zwijanego niż kołka litego o tej samej średnicy i długości. W rezultacie sprężysty kołek zwijany ze stali nierdzewnej może być dostępny po cenie równej lub niższej od ceny Kołka Litygo ze stali węglowej. Ponadto procesy wtórne, takie jak obróbka cieplna lub powlekanie, często zwiększają koszt części ze stali węglowej, podczas gdy w przypadku stali nierdzewnej mogą one wcale nie mie miejsca. Koszt nie ma znaczenia bez uwzględnienia wartości. Na przykład producent wysokiej klasy grila ogrodowego może wybrać elementy złączne ze stali nierdzewnej, które są odporne na korozję znacznie dłużej niż przewidywany okres użytkowania produktu. Taki wybór świadczyłby o dbałości o integralność produktu, jego wygląd i długą żywotność. „Wartość” elementu złącznego zapewniającego najwyższą jakość może zrównoważyć wszelkie związane z tym wzrosty kosztów. Ten sam producent może zdecydować się na tańsze elementy złączne ze stali platerowanej do modelu sprzedawanego pod marką dyskontową, jeśli przewidywani konsumenci są bardziej świadomi kosztów niż jakości. Oba powody są uzasadnione, aby wybrać jeden materiał zamiast drugiego, chociaż wybór stali nierdzewnej wymaga od klienta uwzględnienia zarówno wartości, jak i kosztów. Projektanci muszą rozważyć koszty, korzyści i ryzyko przy wyborze odpowiedniego materiału na elementy złączne.

SPIROL produkuje sprężyste kołki zwijane, kołki dzielone, kołki lite, inserty, produkty rurowe, nakrętki obrabiane, ograniczniki naprężenia, podkładki i sprężyny talerzowe dla wielu różnych gałęzi przemysłu na całym świecie. Chociaż SPIROL produkuje części z różnych materiałów, zarówno żelaznych, jak i nieżelaznych, zakres niniejszego dokumentu ogranicza się do produktów z metali żelaznych, a dokładniej  stali nierdzewnej i węglowej. Produkty żelazne firmy SPIROL  są wytwarzane z czterech głównych grup materiałów standardowych:

• Stal niskowęglowa
• Stal wysokowęglowa i jej stopy
• Martensycka stal chromowa nierdzewna (AISI 410 i 420, EN/DIN 1.4516 i 1.4021)
• Austenityczna stal chromowo-niklowa (AISI 302, 304, 305 lub EN/DIN 1.4319, 1.4301, 1.4303)

Chociaż stal węglowa i nierdzewna są metalami żelaznymi, co oznacza, że zawierają żelazo, ich reakcja na działanie czynników korozyjnych jest zupełnie inna. Z definicji stal nierdzewna musi zawierać co najmniej 10,5% chromu. Pod wpływem tlenu ten pierwiastek stopowy tworzy na powierzchni warstwę tlenku chromu, która szybko przestaje rosnąć, stając się „pasywna”. Ta pasywna warstwa jest ciągła, ma jednolitą grubość, jest nierozpuszczalna i nieporowata. Warstwa pasywna zapobiega kontaktowi tlenu z otoczenia z metalem podstawowym i samoczynnie się regeneruje w przypadku zarysowania lub ścierania, o ile dostępny jest tlen. Warstwa pasywna ma grubość zaledwie 10 do 100 atomów, więc nie ma wpływu na wymiary części. Chociaż stal nierdzewna może ulegać korozji pod wpływem niektórych środków chemicznych w określonych warunkach, nie rdzewieje w wyniku równomiernego lub ogólnego oddziaływania, jak ma to miejsce w przypadku stali węglowej. Jako pierwiastek stopowy chrom jest częścią jednorodnej mieszanki i jest uważany za bezpieczny, ponieważ nie można go łatwo uwolnić ze stopu. Ostatnią uwagą dotyczącą stali nierdzewnej jest stosunkowa łatwość jej recyklingu. Stal nierdzewna nadaje się w 100% do recyklingu, a analitycy branżowi szacują, że 80–90% zużytej stali nierdzewnej jest odzyskiwane do recyklingu.

Elementy złączne ze stali węglowej są zazwyczaj tańsze niż elementy ze stali nierdzewnej i dostępne są wykończenia zapewniające doskonałą odporność na korozję. Należy zauważyć, że wykończenia te przyczyniają się do wzrostu wymiarów, co należy uwzględnić w projekcie. Stal węglowa może być chroniona przed korozją poprzez malowanie, powlekanie lub pokrywanie. Farba nie jest zazwyczaj odpowiednia dla elementów złącznych, ponieważ jest to raczej proces rakowy niż masowy, a zatem nie jest opłacalny. Galwanizacja i powlekanie są dominującymi metodami konserwacji stali węglowej, chociaż niektóre z tych procesów straciły na popularności ze względu na ich wpływ na środowisko. Przykładami wykończeń uznanych za niebezpieczne są kadm i sześciowartościowe chromiany. W ostatnim dziesięcioleciu nastąpił rozwój powłok i galwanizacji masowej, które zapewniają doskonałą odporność na korozję przy niskich kosztach, spełniając jednocześnie aktualne przepisy dotyczące ochrony środowiska. Pomimo tych postępów podatność metalu podstawowego na rdzę pozostaje jego piętą achillesową. Zdecydowana większość powłok galwanicznych i powłok ochronnych ma charakter ofiarny, co oznacza, że zapewniają one ochronę tylko do momentu ich wyczerpania. Po odsłonięciu metal podstawowy ulega korozji. Przykłady dostępnych wykończeń i powłok obejmują między innymi:

• Powłoka fosforanowo-cynkowa – zazwyczaj po jej nałożeniu stosuje się olej lub inny środek zapobiegający rdzewieniu. Drugie nałożenie środka zapobiegającego rdzewieniu decyduje o odporności na korozję, która waha się od minimalnej do konkurencyjnej w stosunku do powłok galwanicznych i innych powłok.
• Cynk nakładany mechanicznie – minimalne ryzyko kruchości wodorowej jest główną zaletą tego wykończenia. Wykończenie może być grubsze niż galwaniczne i nie jest tak gładkie. Często stosuje się dodatkowo chromian i/lub uszczelniacze w celu poprawy wydajności.
• Galwanizacja cynkowa – zazwyczaj uzupełniana trójwartościowym chromianem i często końcowym uszczelniaczem. Wykończenia te niosą ze sobą ryzyko kruchości wodorowej dla stali o wysokiej wytrzymałości, jednak części są zazwyczaj wypalane w celu wyeliminowania tego potencjalnego problemu.
• Galwanizacja cynkowo-niklowa – wyższa odporność na korozję niż tradycyjna galwanizacja cynkowa. Podobnie jak w przypadku standardowej galwanizacji cynkowej, proces ten również wymaga wypalania stali o wysokiej wytrzymałości w celu zmniejszenia ryzyka kruchości wodorowej.
• Powłoki laminowane z aluminium i cynku – proces zanurzeniowo-wirowy zapewniający bardzo wysoką odporność na korozję bez ryzyka kruchości wodorowej.

Wymagania dotyczące testu w komorze solnej składają się zazwyczaj z dwóch prostych kryteriów – liczby godzin potrzebnych do powstania białej korozji, a następnie liczby godzin potrzebnych do rozpoczęcia ataku czerwonej rdzy (lub metalu podstawowego). Stężenie soli, temperatura i czas są dokładnie kontrolowane. Większość powłok i powłok galwanicznych opiera się na warstwie metalu nieżelaznego nałożonej na metal podstawowy, a następnie zanurzeniu w chromianie i, w zależności od wymagań dotyczących wydajności, organicznym lub nieorganicznym uszczelniaczu. Kiedy te wykończenia zawodzą, dzieje się to w odwrotnej kolejności niż kolejność ich nakładania. Gdy środowisko korozyjne przebije zewnętrzną warstwę uszczelniającą i chromianową, zaczyna atakować metal nieżelazny znajdujący się pod spodem. W tym momencie rozpoczyna się korozja biała. Metale nieżelazne, takie jak cynk, nikiel, aluminium i magnez, nie zawierają żelaza i nie ulegają „czerwonej rdzy”. Czerwona rdza staje się widoczna dopiero po wyczerpaniu się metalu ochronnego (patrz rysunek 2).

Spośród dwóch rodzajów stali nierdzewnej oferowanych przez SPIROL, stal austenityczna (lub niklowa) zapewnia najlepszą odporność na korozję, podczas gdy stal martenzytyczna (lub chromowa) jest bardziej podatna na korozję. Stal nierdzewna niklowa ma dwie zalety: 1) zawartość chromu jest zwiększona z 12% do 18% oraz 2) dodano 8% niklu w celu zwiększenia odporności na działanie kwasów mineralnych. Połączenie chromu i niklu w odpowiednich proporcjach pozwala na stworzenie struktury austenitycznej. Martenzytyczna stal chromowa może być mniej odporna na korozję, jednak można ją poddać obróbce cieplnej w celu uzyskania większej wytrzymałości, a wynikająca z tego niska szybkość utwardzania zapewnia doskonałą odporność na zmęczenie materiału.

Aby zademonstrować różnicę między stalą nierdzewną a powlekaną stalą węglową, wyprodukowano dwa  kołki lite o identycznej geometrii z każdego z tych materiałów. Kołek ze stali nierdzewnej został pasywowany, natomiast kołek ze stali niskowęglowej został pokryty produktem z blaszki cynkowej (patrz rysunek 5). Po 720 godzinach część pokryta powłoką działała dobrze, chociaż łatwo zauważalna była korozja biała. Po wyczerpaniu się cynku rozpocznie się rdzewienie. Natomiast kołek ze stali nierdzewnej austenitycznej wydają się praktycznie niezmienione (patrz rysunek 6). Prawidłowo pasywowany kołek ze stali nierdzewnej serii 300 może zapewnić do 2500 godzin ochrony w mgle solnej.

Jak wspomniano wcześniej, stal nierdzewna martenzytyczna jest mniej odporna na korozję niż austenityczna i z tego powodu zazwyczaj nie jest testowana w mgle solnej. Zarówno stal nierdzewna 410, jak i 420 zapewniają dobrą odporność na korozję w normalnych warunkach atmosferycznych, słodkiej wodzie, płynach ustrojowych i środowiskach kulinarnych, a także w łagodnych kwasach utleniających, takich jak kwas chromowy i azotowy. Kołki ze stali martenzytycznej umieszczono w mgle solnej i obserwowano przez okres 300 godzin. Po 48 godzinach widoczne były plamy, a także zaczęły tworzyć się niewielkie wżery. Po 300 godzinach wżery były poważne i łatwo uchwycone na poniższych zdjęciach (patrz rysunki 7, 8, 9 i 10).