Czy stal czarna rdzewieje -
mechanizm korozji i sposoby zabezpieczenia
Stal czarna rdzewieje zawsze, gdy na jej powierzchni jednocześnie obecne są wilgoć i tlen. Norma ISO 9223 określa tempo tego procesu dla stali niestopowej w pierwszym roku ekspozycji: od 1,3 µm rocznie w kategorii C1, czyli w ogrzewanych, czystych wnętrzach, do 700 µm rocznie w kategorii CX, obejmującej środowiska morskie i skrajnie przemysłowe. Między tymi skrajnościami mieści się cała praktyka magazynowa i produkcyjna: typowe hale i obszary miejskie to kategorie C2 i C3, w których ubytek wynosi od 1,3 do 50 µm rocznie.
Samo pytanie, czy stal czarna rdzewieje, jest więc mniej użyteczne niż pytanie, jak szybko i z jakimi konsekwencjami dla konkretnego wyrobu.
Dlaczego rdza nie chroni stali
Korozja atmosferyczna stali węglowej to proces elektrochemiczny, który zachodzi w cienkiej warstwie elektrolitu osadzonej na powierzchni metalu. ISO 9223 opisuje ten warunek pojęciem czasu zwilżenia, czyli okresu, w którym powierzchnia pokryta jest warstwą wilgoci zdolną prowadzić reakcję. Do jego wyznaczenia norma przyjmuje sumę godzin w roku, w których wilgotność względna przekracza 80 procent przy temperaturze powyżej zera.
Kluczowa różnica między rdzą a warstwami ochronnymi innych metali dotyczy objętości i przyczepności. Produkty korozji żelaza zajmują objętość wyraźnie większą niż stal, z której powstały, a taka ekspansja powoduje pękanie i odspajanie warstwy od podłoża. Warstwa pozostaje porowata i nieciągła, więc nie odcina dostępu tlenu i wilgoci do świeżego metalu pod spodem. Proces postępuje w głąb.
Dla porównania, patyna na powłoce cynkowej tworzy zwartą, przylegającą i nierozpuszczalną w wodzie warstwę, która działa jak fizyczna bariera. Cynk dodatkowo chroni stal katodowo: w miejscu odsłoniętego metalu, na przykład na krawędzi ciętej, powstaje ogniwo, w którym koroduje cynk, a nie stal. Rdza takich właściwości nie ma i mieć nie może.
O tempie korozji decydują trzy czynniki ujęte w ISO 9223: układ temperatury i wilgotności, zanieczyszczenie dwutlenkiem siarki oraz zasolenie powietrza. Chlorki i związki siarki działają jak katalizator, obniżając opór elektryczny warstwy wilgoci i przyspieszając reakcję. Dlatego ten sam gatunek stali w hali produkcyjnej w głębi kraju i na placu składowym kilkaset metrów od morza zachowuje się zupełnie inaczej.
| Kategoria wg ISO 9223 | Poziom korozyjności | Ubytek grubości stali niestopowej w pierwszym roku |
|---|---|---|
| C1 | bardzo niska | do 1,3 µm |
| C2 | niska | 1,3-25 µm |
| C3 | średnia | 25-50 µm |
| C4 | wysoka | 50-80 µm |
| C5 | bardzo wysoka | 80-200 µm |
| CX | ekstremalna | 200-700 µm |
Zgorzelina walcownicza a korozja
Blacha gorącowalcowana w stanie surowym pokryta jest zgorzeliną walcowniczą: ciemną, przywierającą warstwą tlenków żelaza o budowie trójwarstwowej. Przy stali znajduje się wustyt, wyżej magnetyt, a na zewnątrz hematyt.
Zgorzelina wygląda jak powłoka ochronna i bywa za taką brana, ale elektrochemicznie jest wobec stali katodowa, czyli bardziej szlachetna. Dopóki pokrywa powierzchnię szczelnie, spowalnia korozję. Gdy tylko pęknie lub zostanie uszkodzona mechanicznie, w miejscu odsłoniętej stali powstaje ogniwo galwaniczne, w którym stal pełni rolę anody. Niewielkie odsłonięcia metalu otoczone rozległą, nienaruszoną zgorzeliną są przy tym najbardziej niekorzystne: mała anoda pracuje wobec dużej katody, a efektem jest intensywna korozja wżerowa skupiona dokładnie w tym miejscu. Materiał z częściowo odspojoną zgorzeliną koroduje więc szybciej i bardziej nierównomiernie niż materiał o powierzchni jednorodnej.
To jeden z powodów, dla których do wyrobów malowanych, spawanych precyzyjnie lub formowanych na zimno stosuje się blachę trawioną, w której zgorzelinę usunięto chemicznie w kąpieli kwaśnej, a powierzchnię zabezpieczono warstwą oleju. Dobór gatunku pod dany proces opisuje opracowanie o oznaczeniach gatunków blach.
Nalot rdzy a przydatność materiału
W praktyce magazynowej pytanie brzmi zwykle inaczej: czy lekki nalot rdzy na blasze dyskwalifikuje partię.
Stan powierzchni wyrobów walcowanych na gorąco reguluje EN 10163. Norma rozróżnia niedoskonałości, czyli nieciągłości mieszczące się w dopuszczalnych granicach głębokości i uznawane za właściwe procesowi wytwarzania, oraz wady, czyli nieciągłości przekraczające te granice, a także pęknięcia, zawalcowania i szwy niezależnie od głębokości. Definiuje też klasy A i B wraz z podklasami określającymi dopuszczalne metody naprawy. Różnica między klasami dotyczy grubości: w klasie A grubość pozostała pod nieciągłością i pod obszarem szlifowanym może zejść poniżej minimum dopuszczalnego normą wymiarową, w klasie B nie może. Znaczenie mają tu tolerancje grubości blachy, bo to one wyznaczają dolną granicę odniesienia.
Norma koncentruje się na nieciągłościach materiałowych, nie na samym nalocie rdzy, i wprost zaznacza, że zgorzelina może je przesłaniać. Ocena stopnia zardzewienia przed dalszą obróbką odbywa się według ISO 8501-1, która definiuje cztery stopnie stanu wyjściowego powierzchni.
| Stopień wg ISO 8501-1 | Stan powierzchni |
|---|---|
| A | powierzchnia w dużej mierze pokryta przywierającą zgorzeliną, praktycznie bez rdzy |
| B | korozja rozpoczęta, zgorzelina zaczyna się łuszczyć |
| C | zgorzelina skorodowana lub dająca się zeskrobać, niewielkie wżery widoczne gołym okiem |
| D | zgorzelina skorodowana, widoczne ogólne wżerowanie |
Praktyczny wniosek jest taki, że powierzchowny nalot bez wżerów, odpowiadający stopniowi B, nie przesądza o przydatności materiału. Znaczenie ma to, czy pod nalotem doszło do ubytku grubości poniżej dolnej granicy tolerancji i jaki proces czeka materiał dalej. Przed malowaniem i tak konieczne jest przygotowanie powierzchni, a ISO 8501-1 określa stopnie czyszczenia strumieniowo-ściernego: Sa 1 usuwa zanieczyszczenia słabo przywierające, Sa 2 większość zgorzeliny i rdzy, Sa 2,5 pozostawia jedynie lekkie zabarwienia w postaci plam lub pasm, a Sa 3 daje jednolity metaliczny wygląd. Szerzej o ocenie powierzchni materiału z drugiego kanału sprzedaży traktuje tekst o wadach powierzchni blachy II gatunku.
Korozja magazynowa i kondensacja
Korozja magazynowa rzadko wynika z długiego składowania jako takiego. Wynika z kondensacji. Gdy chłodny materiał trafia do cieplejszego pomieszczenia, temperatura powietrza tuż przy powierzchni stali spada poniżej punktu rosy i na blasze osadza się wilgoć. Ciasno ułożone arkusze i zwoje kręgu zatrzymują ją między warstwami, gdzie nie ma cyrkulacji powietrza i nic nie sprzyja odparowaniu.
Zasady, które to ograniczają, są proste i wspólne dla wyrobów stalowych niezależnie od rodzaju powierzchni: transport środkami krytymi i szczelnymi, składowanie pod dachem i nad poziomem posadzki, suche przekładki zapewniające przepływ powietrza między pakietami, ułożenie z lekkim spadkiem umożliwiającym odpływ wody, brak ciasnego owijania folią, która zatrzymuje kondensat pod spodem. Materiał, który pozostaje suchy, nie koroduje.
Zabezpieczenie doraźne i docelowe
Ochrona stali czarnej opiera się na dwóch poziomach. Doraźnie stosuje się warstwy olejowe nakładane na linii, chroniące wyrób w transporcie i w krótkim składowaniu, oraz kontrolę warunków magazynowych. Docelowo, gdy wyrób ma pracować w środowisku korozyjnym, potrzebna jest powłoka.
Dobór systemu powłokowego reguluje ISO 12944, która wiąże kategorię korozyjności środowiska z wymaganą trwałością zabezpieczenia i na tej podstawie określa przygotowanie powierzchni, rodzaj farby, liczbę warstw i grubość powłoki suchej. Im wyższa kategoria korozyjności i dłuższy zakładany okres bez konserwacji, tym bardziej rozbudowany system. Alternatywą dla malowania jest ochrona cynkowa, w której warstwa metalu działa jednocześnie jako bariera i jako anoda ofiarna.
Stale trudnordzewiejące
Stale trudnordzewiejące objęte EN 10025-5, na rynku znane pod nazwą corten, działają na odmiennej zasadzie. Dodatki chromu, miedzi, fosforu i niklu sprawiają, że warstwa produktów korozji stabilizuje się i tworzy zwartą patynę, która utrudnia dalszy dostęp tlenu i wilgoci, wyraźnie spowalniając korozję.
Warunkiem powstania patyny są cykle naprzemiennego zwilżania i wysychania. Tam, gdzie powierzchnia pozostaje stale wilgotna, zanurzona lub zasypana, mechanizm nie działa i materiał zachowuje się jak zwykła stal konstrukcyjna, więc wymaga malowania. Wytyczne branżowe wykluczają stosowanie stali trudnordzewiejącej bez powłoki w pasie do 2 km od wód przybrzeżnych, chyba że opad chlorków utrzymuje się poniżej kategorii S2 według ISO 9223, czyli poniżej 300 mg na metr kwadratowy na dobę. Podobnie traktuje się atmosfery przemysłowe o wysokim stężeniu dwutlenku siarki oraz środowiska klasyfikowane jako C5 i CX, dla których materiał ten nie jest przewidziany.
Kryteria doboru stanu powierzchni
Decyzja o zakupie blachy czarnej, trawionej albo ocynkowanej sprowadza się do trzech pytań: w jakim środowisku wyrób będzie pracował, jaki proces przetwórczy czeka materiał i jak długo będzie składowany przed użyciem. Blacha czarna w stanie surowym jest najbardziej ekonomicznym wyborem dla wyrobów malowanych po wykonaniu i przetwarzanych szybko po dostawie. Blacha trawiona i olejowana ma przewagę wszędzie tam, gdzie zgorzelina przeszkadza w spawaniu, formowaniu lub lakierowaniu. Blacha powlekana ogniowo rozwiązuje problem korozji na etapie materiału, a nie na etapie wyrobu gotowego.
Po jednej stronie rachunku stoi cena tony, po drugiej koszt zabezpieczenia, koszt strat magazynowych i ryzyko przestoju. Dostępne gatunki stali, rodzaje powłok oraz formaty kręgów, taśm i arkuszy przedstawia oferta blach stalowych HEN-STOL.
Sprawdź jak możemy pomóc
Prześlij nam specyfikację materiału, z którego obecnie korzystasz: gatunek, grubość, szerokość, stan powierzchni, rodzaj powłoki, preferowaną formę dostawy oraz wielkość partii. Zweryfikujemy dostępność i przedstawimy najlepsze warunki, jakie możemy zaoferować. Jeżeli przyjęty stan powierzchni okaże się dobrany z nadmiarem wobec potrzeb procesu, wskażemy materiał odpowiadający rzeczywistym wymaganiom wyrobu.
Najczęściej zadawane pytania
Jak szybko rdzewieje stal czarna w magazynie?
Zależy od warunków, nie od czasu składowania samego w sobie. W suchej, ogrzewanej hali odpowiadającej kategorii C1 według ISO 9223 ubytek nie przekracza 1,3 µm rocznie. W hali nieogrzewanej z kondensacją i w warunkach zewnętrznych tempo rośnie do kilkudziesięciu µm rocznie.
Czy zgorzelina walcownicza chroni blachę przed korozją?
Dopóki jest szczelna i nieuszkodzona, spowalnia korozję. Po pęknięciu działa odwrotnie: jako warstwa katodowa wobec stali powoduje przyspieszoną korozję wżerową w miejscu odsłonięcia metalu, najintensywniejszą przy niewielkich odsłonięciach otoczonych nienaruszoną zgorzeliną.
Czy nalot rdzy jest podstawą do reklamacji?
Sam nalot powierzchniowy bez wżerów zwykle nie jest wadą w rozumieniu EN 10163. Znaczenie ma to, czy grubość materiału po oczyszczeniu mieści się w tolerancji normy wymiarowej i czy stan powierzchni odpowiada klasie zapisanej w zamówieniu.
Czym różni się blacha czarna od trawionej?
Blacha czarna ma powierzchnię ze zgorzeliną walcowniczą pozostałą po walcowaniu na gorąco. Blacha trawiona przeszła kąpiel kwaśną usuwającą zgorzelinę i jest zabezpieczona olejem, co daje jednorodną powierzchnię przygotowaną do spawania, formowania i lakierowania.
Czy stal trudnordzewiejąca nie wymaga zabezpieczenia?
W środowiskach umiarkowanych, z cyklicznym zwilżaniem i wysychaniem, patyna stabilizuje się samoczynnie i dodatkowa ochrona nie jest potrzebna. Przy stałym zawilgoceniu, w atmosferach o wysokim stężeniu chlorków lub dwutlenku siarki oraz w pasie do 2 km od wód przybrzeżnych mechanizm nie działa i konieczna jest powłoka.
Co najskuteczniej ogranicza korozję magazynową?
Utrzymanie materiału w stanie suchym: transport krytym środkiem, składowanie pod dachem nad poziomem posadzki, suche przekładki, cyrkulacja powietrza między pakietami i brak ciasnego owijania folią, pod którą zbiera się kondensat.
Źródła
- ISO 9223, Korozja metali i stopów, korozyjność atmosfer, klasyfikacja i ocena
- ISO 8501-1, Przygotowanie podłoży stalowych przed nakładaniem farb, wzrokowa ocena czystości powierzchni
- ISO 12944, Farby i lakiery, ochrona przed korozją konstrukcji stalowych za pomocą ochronnych systemów malarskich
- PN-EN 10163-2, Wymagania dotyczące stanu powierzchni blach i płaskowników walcowanych na gorąco
- PN-EN 10025-5, Wyroby walcowane na gorąco ze stali konstrukcyjnych, stal odporna na korozję atmosferyczną
- The Steel Construction Institute, Corrosion protection oraz Weathering steel
- ArcelorMittal, Introduction to the corrosion process, Steel Academy
- Galvanizers Association, Corrosion protection