Tanya ke Ahli Metalurgi:Apa itu Karat?

Kimia korosi:cara membersihkan dan melindungi barang-barang logam Anda

Karat adalah nama umum untuk bahan kimia yang dihasilkan ketika besi bereaksi dengan oksigen dan air. "Karat" tidak didefinisikan dengan baik dalam kimia, namun—banyak bahan kimia dapat terbentuk ketika besi dibiarkan terbuka. Namun, kami biasanya menyebut tampilan merah dan bersisik yang dihasilkan dari bahan kimia tertentu sebagai karat.

Besi atau baja yang terkorosi menghasilkan banyak senyawa berbeda dalam kondisi lingkungan biasa. Beberapa bahan kimia ini akan berwarna hitam, biru, kuning, abu-abu, atau coklat, tergantung pada molekul apa yang mereka ambil dari lingkungan saat berkarat. Misalnya, hujan asam yang mengandung belerang dapat bergabung dengan besi untuk membuat molekul pirit, mineral kuning yang disebut "emas bodoh". Mineral ini sama sekali tidak seperti yang kita anggap karat. Yang biasanya kami maksudkan adalah beberapa jenis oksida besi (III), yang tampak berwarna merah atau merah-coklat.

Oleh karena itu, ketika kita berbicara tentang karat besi, kita tidak selalu menghubungkannya dengan perubahan kimia yang kita amati pada logam lain yang biasa kita gunakan. Kami tidak berbicara tentang perak atau tembaga "berkarat." Sebaliknya, tembaga dikatakan mengembangkan patina, dan perak dikatakan menodai. Semua istilah ini menggambarkan korosi logam yang terbuka.

Mengapa besi berkarat? Mengapa tembaga tidak berkarat?

Logam menimbulkan korosi melalui reaksi kimia dengan lingkungannya. Logam halus yang dapat digunakan manusia seringkali tidak dalam bentuk yang paling stabil secara termodinamika. Mereka bereaksi dengan molekul di udara di sekitar mereka untuk menemukan keadaan yang lebih stabil.

Pada besi berkarat, ini adalah proses oksidasi, di mana oksigen dan air bekerja untuk menghasilkan oksida besi. Korosi dapat terjadi dengan molekul lain, namun. Noda perak sering dihasilkan oleh reaksi dengan hidrogen sulfida, gas yang berbau seperti telur busuk dan dihasilkan oleh dekomposisi bakteri di lingkungan rendah oksigen. Jika Anda memiliki perak di dekat rawa, atau di dekat tempat pembuangan sampah, perak itu akan cepat ternoda!

Beberapa logam tidak menimbulkan korosi karena sudah stabil secara kimiawi. Emas dan platinum adalah contohnya:mereka lebih mungkin ditemukan sebagai logam unsur murni di kerak bumi karena alasan ini. Perak juga ditemukan sebagai logam murni, karena ketika menodai, noda itu sendiri menciptakan segel yang stabil secara termodinamika di sekitar sisa logam. Film pasif ini mencegah korosi lebih lanjut pada lapisan yang lebih jauh ke bawah, dalam proses yang disebut pasivasi.

Patina tembaga, yang bertanggung jawab atas warna hijau khas Patung Liberty, adalah contoh film pasif yang melindungi logam di bawahnya; verdigris yang terbentuk oleh pelapukan tembaga mempertahankan ikatannya dengan lapisan tembaga di bawahnya, menyegel dan melindunginya dari molekul atmosfer.

Sebaliknya, oksida besi merah (III) tidak mengikat besi di bawahnya, melainkan menarik diri dan mengelupas. Oleh karena itu, karat tidak memberikan lapisan pasif, tetapi malah menimbulkan korosi, membuat lapisan besi berikutnya teroksidasi.

Beberapa paduan berbasis besi, seperti baja tahan karat, dikenal tahan karat. Paduan besi tahan karat memiliki logam dalam campuran yang menciptakan film pasif dan pelindung sebelum karat dapat masuk. Untuk baja tahan karat, pasivasi dibuat dengan penambahan kromium, yang teroksidasi dengan cepat, meninggalkan lapisan yang sangat tipis yang melindungi besi .

Jenis korosi logam yang umum

Logam menimbulkan korosi di lingkungan yang berbeda melalui proses yang berbeda. Bentuk paling sederhana dari korosi terjadi ketika logam bereaksi terhadap kelembaban dan udara di permukaannya. Dalam lingkungan salin, keberadaan klorin dalam garam dapat mempercepat dan memoderasi proses ini. Dalam hujan asam, senyawa belerang dapat bertanggung jawab.

Lingkungan salin juga memfasilitasi proses yang sedikit lebih rumit yang disebut korosi galvanik . Dalam korosi galvanik, dua jenis logam dengan potensi listrik yang sangat berbeda datang ke dalam kontak listrik atau fisik dalam bak elektrolit, seperti air laut. Logam yang lebih pasif, logam katodik, menarik elektron dari logam aktif atau anodik. Reaksi kimia ini merupakan bentuk korosi yang juga merupakan dasar dari baterai elektrokimia.

Molekul bermuatan baru dalam logam anodik menstabilkan diri dengan menggabungkan dengan molekul di lingkungan, biasanya membuat oksida atau mineral lainnya. Dalam baja, oksida tersebut adalah karat.

Aluminium adalah salah satu logam yang biasanya dilindungi oleh film pasif selama korosi. Namun, aluminium dapat dengan cepat terkorosi hingga gagal jika dibaut dengan sekrup baja tahan karat, karena korosi galvanik. Sekrup baja, di sisi lain, akan lebih tahan terhadap karat! Penyediaan anoda aliran elektron yang stabil mencegah korosi pada logam katoda. Karena alasan ini, terkadang “anoda korban” dipasang pada logam yang akan terpapar ke laut, seperti pada lambung kapal, untuk membantu melindungi membran kapal secara elektrokimia.

Korosi lubang adalah istilah untuk korosi yang tidak terjadi secara merata di seluruh permukaan logam. Sebaliknya, lubang kecil muncul di logam. Area korosi yang lebih cepat ini biasanya disebabkan oleh kegagalan "segel" pada material, apakah itu sealant buatan manusia seperti cat atau powder coat, atau sealant film pasif dari lapisan atas korosi. Lapisan pasivasi mungkin gagal jika ada inklusi dalam logam, atau paduannya tidak seragam. Logam adalah struktur kristal yang terbuat dari butiran, dan ada fase yang berbeda dari struktur butiran tersebut. Jika bahan kimianya tidak teratur atau berubah bentuk, hal itu dapat menyebabkan bintik-bintik yang lebih rentan terhadap korosi, dan bahkan menciptakan korosi galvanik di seluruh tubuh dari logam yang sama.

Dapatkah baja tahan karat berkarat?

Stainless steel adalah paduan besi tahan korosi yang melawan karat dengan penambahan kromium. Persentase kromium yang berbeda digunakan untuk membuatnya tahan terhadap penggunaan biasa, atau penggunaan berat di lingkungan salin, seperti pada baja tahan karat 316.

Namun, bahkan baja tahan karat pun bisa berkarat! Semua besi yang terkunci di dalam logam hanya perlu memiliki paparan untuk bereaksi. Itu mengandalkan lapisan pasif "penyegelan" kromium oksida untuk melindunginya.

Lapisan oksida kromium hanya beberapa molekul tebal, dan tidak terbentuk secara instan. Ketika stainless steel dibuat, dibersihkan dengan asam. Asam ini menghilangkan endapan besi, garam, atau lemak di permukaan yang dapat menyebabkan masalah pada reaksi kimia kromium. Tergantung pada jenis asam yang digunakan, itu bisa menjadi bagian dari proses pasivasi, atau hanya menyiapkan baja untuk pasif secara alami di udara.

Karena film pasif ini adalah bahan kimia, itu bisa terganggu. Panas yang sangat tinggi melebihi 750 °F dapat menyebabkan perubahan molekul pada kromium yang mencegah oksidasi, sehingga karat dapat terbentuk di sekitar lokasi lasan pada baja tahan karat. Dalam kasus lain, lapisan oksida kromium dapat dikompromikan oleh perubahan termal yang cepat, abrasi, kerusakan, garam, asam, dan penumpukan deposit logam lainnya. Jika baja tahan karat bersentuhan dengan terlalu banyak besi, persentase kromium yang terlokalisasi dapat turun di bawah persentase minimum yang diperlukan untuk mempertahankan film (batas bawah pada 10,5%.)

Oleh karena itu, menggosok baja tahan karat dengan wol baja, dapat memperburuk masalah karat! Saat kromium aus, molekul baja dari scrubber dapat menjadi bagian dari logam dasar, menurunkan kandungan kromium lokal. Ketika pasivasi gagal pada baja tahan karat, dan besi terkena air dan udara, karat akan masuk.

Cara membersihkan karat dari baja tahan karat

Saran untuk membersihkan baja tahan karat sering kali menyarankan bahwa Anda harus “berhati-hati dalam menggores permukaan kromium”, dan oleh karena itu merekomendasikan untuk tidak menggunakan bahan abrasif dan bahan kimia lainnya. Ini tidak sepenuhnya benar:karat menunjukkan bahwa permukaan kromium oksida telah rusak. Tujuan membersihkan karat dari baja tahan karat dalam konteks non-industri (di rumah atau di dapur komersial kecil), adalah pertama-tama membersihkan paduan tahan karat sepenuhnya, menghilangkan semua karat tetapi juga semua endapan besi, garam, lemak, atau asam, dan kemudian membiarkan bahan menjadi "pasif otomatis", yang berarti bereaksi dengan udara untuk membentuk kembali segel. Menjauhi segala bentuk besi dan baja saat melakukan ini adalah salah satu cara untuk bahagia dengan hasilnya.

Untuk membersihkan karat dari baja tahan karat:

1. Abrasive ringan seperti soda kue dapat digunakan untuk menggosok permukaan, dengan kain, spons, atau sikat berbulu lembut, untuk menghilangkan karat.
2. Saat karat dan kontaminan apa pun dihilangkan, kromium akan otomatis pasif, seketika, menciptakan pelindung pelindungnya sendiri.
3. Lapisan kromium oksida menjadi lebih tebal selama beberapa hari berikutnya, jadi pengeringan udara semalaman membantu membangun perlindungannya!
4. Setelah dibilas dengan baik, baja tahan karat dapat dibiarkan kering, atau dapat dibersihkan dan dipoles dengan pembersih baja tahan karat khusus.

Dalam pengaturan manufaktur, baja tahan karat kadang-kadang dibersihkan dalam bak air panas asam nitrat, yang "memaksa" lapisan pasif yang lebih tebal. Untuk alasan lingkungan, banyak produsen saat ini beralih menggunakan asam sitrat untuk pembersihan, seperti yang mungkin lebih umum di rumah, dan kemudian membiarkan baja tahan karat “auto-pasif”.

Cara menghilangkan karat dari besi tuang dan baja

Tidak seperti menghilangkan karat dari paduan baja tahan karat, menggunakan wol baja atau sikat bulu kawat dapat membantu menghilangkan karat dari besi tuang atau baja!

Untuk permukaan sederhana yang lebih kecil, seperti panci besi tuang berkarat:

1. Penggosok dan sedikit minyak siku dapat menghilangkan lapisan oksida besi. Garam adalah bahan abrasif yang umum digunakan.
2. Panci kemudian harus dicuci bersih.
3. Panci harus dikeringkan dengan api besar, sehingga semua pori-pori di permukaannya dapat mengeluarkan cairan darinya.
4. Besi cor harus dibumbui dengan minyak, yang membentuk sealant polimer saat dipanggang di permukaan.
5. Minyak ini dapat dicat di atas permukaan dalam lapisan tipis dan kemudian dipanggang (terbalik untuk mencegah penyatuan) pada suhu 375 ° selama 1 jam. Lapisan tambahan dapat ditambahkan jika diinginkan.
6. Minyak biji rami food grade adalah pilihan ideal dalam minyak bumbu, memberikan hasil akhir yang keras dan mengkilap.

Menggosok tidak praktis untuk banyak objek dengan bentuk atau ukuran yang rumit. Dalam hal ini, metode penghilangan secara kimiawi bisa menjadi pendekatan terbaik. Mereka memiliki kemanjuran variabel, tergantung pada jenis paduan yang terlibat. Bahan rumah tangga biasa seperti cuka, tetes tebu, atau asam sitrat dapat digunakan. Molasses adalah pilihan yang mengejutkan, dan membutuhkan waktu lebih lama daripada cuka—tetapi bisa sangat efektif, karena terurai menjadi asam oksalat, yang membantu menghilangkan karat.

Produk penghilang karat komersial—sering kali dibuat dengan asam yang lebih kuat—juga tersedia. Perendaman dalam cairan ini, lalu angkat dan keringkan bisa efektif dalam memulihkan harta karun lama yang berkarat.

Namun, seperti halnya panci besi cor, penting untuk mempertimbangkan bagaimana baja dan besi Anda akan terlindungi dari elemen setelah dibersihkan.

Melindungi logam besi

Besi, dengan adanya udara dan air, akan berkarat. Ini berarti bahwa selama manusia telah mengerjakan besi, kami juga telah mengerjakan sealant terbaik untuk besi. Ada banyak cara untuk membuat layer yang rapat.

Pasif paksa —Bentuk penyegelan besi atau baja yang sangat umum adalah untuk menimbulkan korosi pada lapisan pertama menjadi oksida besi (II), atau oksida hitam, yang bekerja seperti patina logam lainnya dan menyegel logam. Satu-satunya perbedaan antara proses ini dan yang terjadi pada tembaga, seng, atau kromium, adalah bahwa hal itu tidak akan terjadi dalam kondisi lingkungan biasa. Oleh karena itu, jika lapisan atas pada item rusak, seluruh item harus dipoles ulang. Ini dikenal sebagai "kebiruan" ketika dilakukan dengan senjata melalui satu proses, atau "menghitamkan" di sebagian besar toko mesin, melalui proses serupa tetapi bahan kimia yang sedikit berbeda. Dalam proses penghitaman dingin, oksida besi (II) dapat dicat di atas permukaan, memberikan perlindungan yang sedikit kurang tahan lama.

Penggunaan dan perawatan rutin, termasuk meminyaki atau waxing —Beberapa besi atau baja yang bekerja akan dibiarkan mentah, di mana penggunaan, perawatan, atau lingkungan akan membuatnya tetap bersinar. Secara tradisional, senjata seperti pedang dan peralatan seperti pisau mungkin dibiarkan "mentah" tetapi akan dikeringkan dan diminyaki dengan mineral atau minyak goreng, yang merupakan sealant sementara yang memerlukan aplikasi ulang secara teratur. Untuk penyimpanan yang lama, lilin dan poles lainnya dapat digunakan untuk membuat segel—tetapi yang akan tetap aus saat digunakan.

Bagian-bagian mesin yang terkena oli biasa mungkin dibiarkan mentah, karena panas dan oli di sekitar mesin membuatnya tidak mungkin berkarat, tetapi permukaan luarnya mungkin dicat. Sistem pembuangan mobil bergantung pada suhu yang lebih tinggi dari mesin yang sepenuhnya panas untuk mencegah korosi, dan mengemudi cukup lama agar blok mesin menjadi panas adalah cara mencegah karat di knalpot. (Pada mesin balap performa tinggi, bagian dalamnya mungkin juga dicat, tetapi ini sebagian besar untuk membantu sirkulasi oli.)

Sealant terapan —Banyak produk besi dan baja dilindungi dengan dilapisi lapisan keras dari bahan lain. Ini termasuk:

• Minyak terpolimerisasi: Minyak biji rami (terbuat dari rami, tetapi tidak sesuai dengan standar food grade) adalah salah satu hasil akhir asli untuk produk besi tempa. Seorang pandai besi mungkin memadamkannya dengan minyak atau mengecat objek dengan minyak lalu membakarnya, memberikan kilau hitam-cokelat tradisional yang masih kita tiru pada besi tempa saat ini—biasanya dengan pernis, cat, atau pernis.
• Galvanisasi hot-dip: Dalam proses ini, seng diterapkan pada baja atau besi dalam bak cair. Galvanisasi seng memiliki beberapa sifat pelindung. Pertama, itu menciptakan patina, yang menyegel seng dan besi atau baja di bawahnya. Kedua, ini lebih "aktif" daripada logam yang digunakannya. Selama umur benda baja galvanis, seng bertindak sebagai "anoda korban." Saat terdegradasi, ia melindungi dan memperlambat korosi baja di bawahnya, bahkan jika baja itu terbuka.
• Elektroplating: Seng dapat diterapkan pada baja tidak melalui rendaman, tetapi dengan mengalirkan muatan listrik melalui objek baja, dan menyemprot objek dengan partikel seng bermuatan. Hal ini menyebabkan ikatan listrik yang seragam dan tidak terputus pada permukaan logam.
• Mantel bedak: Proses pengaplikasian powder coating sama seperti pengaplikasian seng karena objek dan sealant keduanya bermuatan elektrostatis, yang berarti ikatan molekul tanpa gangguan sekecil apa pun yang akan membiarkan uap air masuk. Lapisan bubuk resin kemudian dipanggang ke objek dalam oven panas. Mantel akan mempertahankan kilau selama bertahun-tahun, memberikan perlindungan unggul dan membutuhkan perawatan minimal.
• Cat: Baik di dalam maupun di luar, dan bahkan di jantung mesin berperforma tinggi, cat adalah sealant yang populer dan serbaguna. Sebagai sealant murah masih melakukan pekerjaan yang sangat baik untuk melindungi besi dan baja dari elemen. Saat retak dan aus, cukup mudah untuk diamplas dan diaplikasikan kembali. Kelemahan cat adalah kecenderungannya sendiri untuk retak dan terkelupas dalam cuaca:bahkan lubang kecil di lapisan sealant dapat memulai proses karat di bawah. Namun, kekurangan ini terkadang dapat diatasi dengan penggunaan sebagian atau sebagian dari rutinitas perawatan rutin.

Merawat benda logam

Logam adalah bahan klasik tahan lama, digunakan untuk membuat objek dan struktur untuk bertahan selama banyak masa pakai. Namun sebagian besar logam masih rentan terhadap korosi dan peluruhan elektrokimia. Saat memulai proyek, pertimbangan lingkungan tempat logam akan berada memungkinkan seorang desainer memilih logam yang paling tahan dalam kondisi tersebut.

Besi sangat rentan terhadap oksidasi, dan karat biasanya akan menempel dengan sedikit air dan oksigen. Tidak seperti logam lain, oksidasi ini tidak akan membentuk lapisan pasif penyegelannya sendiri. Oleh karena itu, sealant biasanya digunakan dengan logam besi. Menemukan jenis yang tepat dan mengawasi logam selama beberapa dekade penggunaannya dapat membantu memperpanjang umur benda logam apa pun.