Passivasi Logam: Melindungi Besi & Baja dari Korosi

Lapisan kimia yang melindungi logam dari korosi

Banyak logam rentan terhadap korosi ketika terpapar udara dan air. Korosi dapat menyebabkan stres logam dan kegagalan bagian, jadi metalurg mencari cara untuk mengalahkannya. Salah satu metode tersebut adalah passivasi logam, metode yang kurang dikenal untuk melindungi permukaan yang menggunakan lapisan kimia tipis sebagai seal. Passivasi dapat terjadi secara alami atau didorong oleh proses manufaktur.

Apa itu korosi?

Korosi logam terjadi ketika molekul logam aktif bereaksi di lingkungannya untuk menjadi lebih stabil secara elektrokimiawi. Oksida, hidroksida, dan sulfida adalah senyawa utama dari korosi. Paparan sederhana dapat menyebabkan reaksi, seperti besi yang berkarat dalam air dan udara. Proses elektrokimiawi juga dapat menyebabkan reaksi, seperti korosi galvanik antara nikel dan kadmium dalam baterai.

Ada logam yang tahan terhadap korosi. Logam mulia seperti emas, perak, dan platinum secara kimia stabil dalam banyak kondisi. Logam mulia tidak kebal terhadap korosi, tetapi prosesnya terjadi lambat, atau dengan molekul yang kurang umum. Misalnya, karam hitam tebal perak biasanya disebabkan oleh sulfida hidrogen daripada oksigen dan air. Metalurg memeriksa potensi aktif logam menggunakan skala galvanik atau indeks anoda. Yang berada di atas cenderung kurang rentan terhadap korosi.

"Aktif" logam, atau yang lebih dekat ke bawah skala, secara kimia kurang stabil, dan oleh karena itu lebih mudah bereaksi dengan elemen lain di lingkungan. Untuk mencegah ini, proses aktif atau pasif digunakan untuk mengurangi korosi. Proses ini umumnya bekerja dengan "mengisolasi" logam dengan lapisan teratas, mencegah udara dan air mencapai logam di bawahnya. Lapisan dapat dibuat oleh manusia: cat, bubuk coating, dan minyak adalah semua seal umum. Namun, jika goresan, korosi menyusup masuk.

Opsi lain untuk mengisolasi logam adalah kimia, di mana reaksi kimia digunakan alih-alih bahan buatan. Salah satu proses kimia adalah passivasi.

Apa itu passivasi?

Passivasi, umumnya terkait dengan baja karat, adalah metode pelindungan untuk melindungi logam dari korosi—membuat materi "pasif" terhadap lingkungan sekitarnya. Passivasi, mungkin tidak intuitif, mendorong korosi untuk terjadi di permukaan, membuat lapisan tipis dari senyawa kimia baru yang tidak reaktif. Lapisan teratas ini menempel erat pada logam, menciptakan seal alami yang mencegah elemen dari mengkorosi lapisan logam berikutnya. Logam dikatakan passivated ketika setiap permukaan dilapisi dengan lapisan korosi yang menempel erat. Lapisan ini dapat terbentuk secara alami (secara pasif) seiring waktu, tetapi produsen juga dapat secara aktif memicuinya.

Sejarah passivasi

Passivasi ditemukan oleh ilmuwan yang melakukan eksperimen elektrokimia, tetapi mereka tidak segera mengakui kegunaan proses ini untuk penggunaan umum. Pada 1790, kimiawan James Keir mengamati bahwa mandi asam nitrat kuat tidak mengkorosi besi. Catat bahwa ketika larutan sama dicampur air, besi berkorosi segera, menciptakan larutan air coklat kehit-hitaman yang berbuih. Pada 1836, kimiawan Swiss Christian Friedrich Schönbein menentukan eksperimen lebih lanjut. Ia menunjukkan bahwa potongan besi yang direndam dalam asam nitrat lemah melarut dan menghasilkan hidrogen, seperti yang dicatat Keir. Namun jika besi pertama dicelupkan ke dalam asam kuat, ia kemudian dapat menahan asam lemah. Elemen korosif dari air sembra dihindari, setidaknya untuk sementara waktu.

Michael Faraday, ilmuwan elektrokimia Inggris, adalah yang pertama untuk menggambarkan mengapa. Ia berhipotesis kepada Schönbein bahwa kulit oksida yang dibuat oleh asam kuat mungkin menyebabkan kondisi pasif. Saat kimiawan dan metalurg menjelajahi ide "kulit" kimia, mereka mencari teknik untuk memproduksi atau meningkatkan passivasi, dan aloi yang akan membuat seal pasif secara organik.

Lapisan oksida pasif

Saat logam terpapar lingkungan sekitar, jika tidak diblokir oleh cat atau bubuk coating, mereka akan berkorosi secara alami, menciptakan kulit, atau lapisan seal. Sebagian besar lapisan pasif terbuat dari oksida, kombinasi logam dan oksigen, jadi disebut lapisan oksida pasif.

Salah satu manfaat terbesar dari lapisan oksida pasif adalah ketika mereka muncul secara alami, mereka juga akan secara alami "menyembuh" jika permukaan logam digores atau rusak, karena lapisan molekul berikutnya kemudian akan bereaksi dengan elemen lingkungan.

Efektivitas lapisan oksida pasif tergantung pada jenis elemen yang terlibat. Tidak semua lapisan oksida melindungi: Jika oksida cukup porous untuk oksigen melewati, maka tidak akan terbentuk seal, dan logam di bawahnya akan terus berkorosi. Misalnya, oksida magnesium membentuk lapisan dengan porositas permukaan tinggi yang tidak menghentikan korosi. Molekul oksigen masih mengalir melalui dan bereaksi dengan magnesium di bawahnya.

Demikian pula, elemen di lingkungan sekitar juga penting. Baja karat, misalnya, dapat ditantang oleh garam atau endapan besi. Jika kimia keseluruhan permukaan tidak lagi passivated secara alami, karat akan muncul.

Passivasi paksa

Untuk beberapa aloi, passivasi alami dapat memakan waktu lama; untuk yang lain, dapat berkembang tidak merata, dengan variasi dalam butir logam atau kehadiran endapan permukaan. Metalurg menciptakan metode passivasi aktif untuk mempercepat dan memstandardisasi proses untuk membuat produk yang segera dapat digunakan.

Gun "bluing" adalah contoh awal dari passivasi paksa melalui cara manufaktur kimia. Salah satu oksida besi adalah magnetit, oksida hitam (Fe3O4), dan oksida ini tidak mengelupas seperti karat (Fe3O3). Beberapa proses kimia dapat digunakan untuk membuat oksida hitam ini menggunakan panas dan larutan kaustik. Namun, meskipun bluing melindungi terhadap korosi, lapisan yang rusak tidak "menyembuh" dalam kondisi normal. Bluing adalah seal buatan yang memerlukan perawatan dan pemeliharaan.

Saat ini, perawatan passivasi aktif umum memiliki beberapa langkah:

• Membersihkan item untuk menghilangkan minyak dan kotoran permukaan. Tidak boleh ada area yang ditutup dari mandi asam oleh lapisan luar.
• Passivasi dalam mandi asam nitrat atau asam sitrat, atau dengan menggunakan proses elektrokimia. Untuk baja karat, langkah ini menghilangkan endapan besi bebas apa pun yang akan menghambat baja karat dari membentuk film oksida padat. Pada level mikroskopik, endapan besi bebas akan mencegah lapisan oksida kromium pasif membentuk seal berkelanjutan. Lapisan passivasi setelah mandi asam nitrat terdiri dari Cr2O3.
• Mencuci item dari semua jejak larutan asam, membawa besi bebas yang tersisa bersama-sama.
• Item ditempatkan dalam kondisi yang mendorong oksidasi. Kondisi meliputi kombinasi suhu dan kelembaban yang meningkat, dan penggunaan agen pendorong karat seperti salt spray, copper sulphate, atau potassium ferricyanide.

Baja karat dan aloi self-passivasi lainnya

Baja karat adalah logam yang kuat yang memiliki resistensi korosi melalui passivasi alami. Seperti ditemukan pada 1913, banyak industri telah bergantung pada logam ini. Namun, tidak dijamin bebas karat.

Baja karat, seperti baja lainnya, terutama terbuat dari besi dan karbon. Penambahan revolusioner ke dalam aloi adalah kromium. Kromium, terpapar udara, dengan cepat membentuk lapisan oksida pasif yang mengisolasi besi dan melindunginya. Berbagai grade baja karat mengandung logam pendukung yang berbeda: molibdenum, silikon, dan konstituen lainnya semuanya memberikan dukungan pasif untuk aplikasi yang berbeda. Beberapa grade lebih unggul dalam mengelola panas, yang lain dalam menahan korosi karena garam: campuran kimia aloi mengubah cara ia berperilaku di bawah kondisi yang berbeda. Endapan besi, panas, kontak dengan logam lain, garam, dan asam dapat semua menantang lapisan oksida.

Aluminium adalah logam lain yang secara alami passivated. Oksida aluminium terbentuk pada sebagian besar (meski tidak semua) aloi aluminium saat terpapar udara, membuat permukaan melindungi diri sendiri. Oksida aluminium dapat ditantang oleh garam, stres elektrokimiawi, atau kelembaban yang terperangkap. Dengan baik baja karat dan aluminium, proses manufaktur digunakan untuk membantu mendukung pembuatan lapisan pasif yang lebih tebal atau seragam daripada yang mungkin terjadi secara alami.

Standar passivasi untuk baja karat dan aluminium

Baja karat dan aluminium keduanya adalah bahan self-passivasi, tetapi tidak kebal terhadap korosi. Ketidakteraturan butir, yang dibuat oleh manufaktur atau perawatan panas, dapat membuat kelemahan. Endapan permukaan minyak atau kimia lain juga dapat mengganggu film pasif. Untuk memastikan kualitas grade baja karat dan aluminium, kini ada proses dan tes passivasi standar.

Spesifikasi ASTM A380 dan A967 menetapkan standar dan prosedur pengujian kualitas untuk passivasi baja karat menggunakan asam nitrat, asam sitrat, atau melalui cara listrik.

Kromium kadang digunakan untuk passivate bahan lain, tetapi sering melalui aplikasi alih-alih dibangun ke dalam aloi. Proses yang disebut chromium conversion digunakan untuk aluminium dan logam lain, seperti seng dan nikel. Dalam teknik ini, gel kromium dicat pada permukaan logam. Kimia ini terikat pada permukaan logam, menciptakan lapisan pasif yang menunjukkan resistensi korosi tinggi. Goresan pada passivasi chromium conversion akan melalui proses penyembuhan diri. Kromium di sekitar goresan bergerak untuk terikat dan mebuat kembali lapisan passivasi. Namun, goresan perlu cukup kecil agar ini mungkin dengan kromium di sekitarnya.

Pickling vs. passivasi baja karat

Passivasi baja adalah proses yang menggunakan mandi asam untuk menyisakan lapisan oksida. Pickling adalah perawatan mandi asam lain, tetapi memiliki tujuan yang berlawanan: pickling menggunakan asam untuk membersihkan oksida dari permukaan logam.

Saat oksida melapisi permukaan logam, item menjadi lebih sulit dimesin. Oksida menyebabkan stres yang lebih besar pada mata bor dan dapat mengalahkan upaya untuk mengisolasi permukaan dengan cat atau bubuk coating. Pickling menghapus semua oksida, termasuk yang berfungsi sebagai lapisan pasif. Baja dan besi biasanya di-pickle.

Dalam produksi bagian logam, bagian mungkin di-pickle, dimesin, dan kemudian passivated.

Electropolishing baja karat dan logam lainnya

Electropolishing adalah langkah finishing logam yang menghaluskan dan meluruskan, meninggalkan permukaan bersih yang mengkilap. Ini dapat digunakan pada banyak logam, termasuk yang tidak didorong untuk passivate, seperti tembaga. Pada logam yang passivated, permukaan halus dapat menciptakan lapisan pasif yang tak terputus dan tahan lama.

Objek yang akan di-electropolish diberikan muatan positif dan dicelupkan ke dalam mandi elektrolit. Katoda di sekitar menarik molekul permukaan dari objek, menggeletek lapisan teratasnya. Protrusi yang berjagged adalah yang pertama ditarik jauh. Pada level makroskopis dan mikroskopis, logam yang di-electropolish memiliki sedikit ketidakteraturan atau celah.

Saat electropolishing baja karat, besi diutamakan untuk dihilangkan, meninggalkan lebih banyak kromium di permukaan. Permukaan yang halus dan tak terputus bebas besi secara alami mendorong lapisan passivasi padat pada baja karat.

Ketika passivasi gagal

Passivasi tidak selalu solusi ideal; potensi masalah mencakup berbagai variabel. Beberapa jenis logam tidak dapat passivate karena logam mengelupas saat berkorosi. Jika logam secara struktural mampu passivate, hal-hal masih bisa salah selama proses mandi asam. Di sisi lain, bahkan logam yang sempurna passivated mungkin tidak dapat digunakan di beberapa industri—kimia dapat menyebabkan masalah dalam aplikasi elektrokimiawi.

Mengapa beberapa logam mengelupas saat berkorosi?

Oksida logam dapat memiliki struktur kristal yang lebih besar dari molekul logam penyusunnya. Misalnya, oksida besi (III), produk korosi merah yang lebih dikenal sebagai karat, memiliki struktur yang lebih besar, dan oleh karena itu luas permukaan yang lebih besar, daripada besi elemen yang menghasilkannya. Luas permukaan yang lebih besar ini memaksa oksida untuk terangkat dari permukaan logam di bawahnya, menyebabkan gelembung dan mengelupas. Pemisahan oksida dari logam mengekspos lapisan berikutnya ke udara dan kelembaban, dan siklus terus berlanjut, merusak permukaan.

Dalam situasi di mana oksida, hidroksida, atau sulfida memiliki luas permukaan yang lebih besar dari logam yang timbul dari mereka, tidak terbentuk lapisan passivasi.

Passivation Flash Attacks

Kadang-kadang, produsen akan menemukan bahwa dalam batch item yang passivated, satu atau lebih berubah hitam dan mulai menggosok bahkan dalam mandi asam nitrat kuat. Kondisi aktif ini dikenal sebagai "flash attack." Ini dapat cukup membingungkan, karena kadang-kadang itu dapat menyerang beberapa item tetapi meninggalkan yang lain dalam keranjang celup yang sama sendirian.

Alasan flash attack berkaitan dengan konsistensi kimia yang terlibat dalam pembuatan film pasif. Jika mandi asam nitrat telah digunakan untuk waktu yang lama, mungkin telah mengumpulkan garam atau air. Bagian itu sendiri sering menjadi masalah: mungkin ada minyak pemotongan yang tertinggal pada bagian mesin, atau perawatan panas atau kontrol panas selama pemesinan mungkin telah mengubah struktur molekuler bagian secara tidak merata. Mungkin juga ada inklusi atau ketidakteraturan dalam aloi itu sendiri.

Menghindari passivasi

Ada kalanya passivasi dapat menyebabkan masalah untuk fungsi yang tepat dari bagian logam.

Perawatan elektrokimiawi sering memerlukan katoda dan anoda logam untuk mengalirkan arus listrik melalui larutan. Sistem ini mungkin mendorong pembentukan oksida yang menempel di luar katoda. Saat katoda menjadi kotor dengan oksida, sistem menjadi kurang efektif.

Dalam sistem ini, passivasi adalah masalah. Beralih polaritas kadang-kadang menyelesaikan masalah. Pulsa listrik yang berlawanan memungkinkan oksida untuk jatuh dari katoda. Lumpur oksida atau slag dapat jatuh dan tidak mengganggu aktivitas elektrokimiawi proses.

Lapisan passivasi untuk mengisolasi dan melindungi

Banyak logam bereaksi dengan lingkungan menghasilkan oksida, hidroksida, atau sulfida. Produk korosi ini muncul dengan cara yang sama tetapi memiliki properti yang berbeda.

Karam perak, muncul lambat saat perak bereaksi dengan sulfida di udara, bekerja sebagai lapisan pasif. Ia membuat permukaan logam menjadi kusam, dan sering diupas. Berbanding, patina hijau tembaga, atau verdigris, sering menjadi penghargaan estetik untuk kedalaman dan rentang warna hijau yang dihasilkannya. Verdigris adalah campuran karbonat, sulfida, sulfat, dan klorida, dibuat oleh tembaga bereaksi terhadap asam hujan atau dioksida karbon. Karat, oksida besi yang paling umum, menghasilkan pigmen merah atau merah bata. Berbeda dengan verdigris, harus dikontrol dengan hati-hati sehingga permukaan yang berbuih tidak membiarkan baja di bawahnya berkarat.

Lapisan passivasi mengisolasi dan melindungi objek logam dari oksidasi lebih lanjut. Dengan lapisan pasif berbasis kromium, seperti pada baja karat, film ini sering tipis sehingga tidak mengubah tampilan atau fungsi logam. Passivasi tipis sering hanya mengubah logam dalam pengaturan yang sangat spesifik—seperti las, pemesinan, atau dalam sistem elektrokimiawi. Manfaat terbesar yang diberikan oleh logam self-passivasi adalah kemampuan untuk "self-heal." Untuk perlindungan korosi maksimal, gabungkan logam self-passivasi dengan seal yang diterapkan seperti minyak, bubuk coating, atau cat.