Metalurgi Mengungkap: Apa Itu Karat dan Bagaimana Terjadi

Kimia korosi: cara membersihkan dan melindungi item logam Anda

Karat adalah nama umum untuk senyawa yang timbul ketika besi bereaksi dengan oksigen dan air. “Karat” tidak didefinisikan dengan baik dalam kimia, tuttavia—banyak senyawa dapat terbentuk ketika besi dibiarkan terpapar. Namun, kita umumnya merujuk pada tampilan merah dan berselutut yang timbul dari beberapa senyawa sebagai karat.

Besi atau baja yang berkorosi menghasilkan banyak senyawa berbeda dalam kondisi lingkungan reguler. Beberapa senyawa ini akan hitam, biru, kuning, abu-abu, atau coklat, tergantung pada molekula apa yang mereka ambil dari lingkungan saat berkarat. Misalnya, asam hujan yang mengandung sulfur dapat bereaksi dengan besi untuk menciptakan molekul pirit, mineral kuning yang disebut “emas bodoh.” Mineral ini bukan apa yang kita pikirkan sebagai karat sama sekali. Apa yang kita maksud biasanya adalah beberapa jenis oksida besi (III), yang berwarna merah atau merah-coklat.

Saat kita berbicara tentang besi berkarat, oleh karena itu, kita tidak selalu menghubungkannya dengan perubahan kimia yang kita amati pada logam lain yang kita gunakan secara reguler. Kita tidak berbicara tentang perak atau tembaga “berkarat.” Sebaliknya, tembaga dikatakan mengembangkan patina, dan perak dikatakan berkaram. Semua istilah ini menggambarkan logam yang terpapar berkorosi.

Mengapa besi berkarat? Mengapa tembaga tidak berkarat?

Logam berkorosi melalui reaksi kimia dengan lingkungannya. Logam yang telah diproses dan dapat digunakan manusia sering tidak berada dalam bentuk termodinamis paling stabil mereka. Mereka bereaksi dengan molekul di udara di sekitar mereka untuk menemukan keadaan yang lebih stabil.

Dalam berkaratnya besi, ini adalah proses oksidasi, di mana oksigen dan air bekerja untuk menghasilkan oksida besi. Korosi dapat terjadi dengan molekul lain, Namun. Karam perak sering dihasilkan oleh reaksi dengan sulfida hidrogen, gas yang bau seperti telur busuk dan dihasilkan oleh dekomposisi bakteri dalam lingkungan rendah oksigen. Jika Anda memiliki perak di dekat rawa, atau di dekat tempat pembuangan sampah, ia akan berkaram dengan cepat!

Beberapa logam tidak berkorosi karena sudah secara kimia stabil. Emas dan platinum adalah contoh: mereka lebih mungkin ditemukan sebagai logam elemen murni dalam kerak bumi karena alasan ini. Perak juga ditemukan sebagai logam murni, karena saat berkaram, karam itu sendiri menciptakan seal termodinamis yang stabil di sekitar logam yang tersisa. Film pasif ini mencegah korosi lebih lanjut dari lapisan yang lebih dalam, dalam proses yang disebut passivasi.

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

Sebaliknya, oksida besi merah (III) tidak terikat pada besi di bawahnya, melainkan terlepas dan mengelupas. Oleh karena itu, karat tidak menyediakan lapisan passivasi, melainkan berkorosi, mengekspos lapisan besi berikutnya ke oksidasi.

Beberapa aloi berbasis besi, seperti baja karat, dikenal tahan karat. Aloi besi tahan karat memiliki logam dalam campuran yang menciptakan film pasif dan pelindung sebelum karat dapat muncul. Untuk baja karat, passivasi dibuat oleh penambahan kromium, yang oksidasi dengan cepat, meninggalkan lapisan yang sangat tipis yang melindungi besi.

Jenis umum korosi logam

Logam berkorosi dalam 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, kehadiran klorin dalam garam dapat mempercepat dan memoderasi proses ini. Dalam asam hujan, senyawa sulfur 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 masuk ke dalam kontak listrik atau fisik dalam larutan elektrolit, seperti air laut. Logam yang lebih pasif, logam katodik, menarik elektron dari logam aktif atau anodik. Reaksi kimia ini adalah bentuk korosi yang juga menjadi dasar baterai elektrokimia.

Molekul yang baru terisi di logam anodik menstabilkan diri dengan bereaksi dengan molekul di lingkungan, biasanya membuat oksida atau mineral lain. Dalam baja, oksida tersebut adalah karat.

Aluminium adalah satu logam yang biasanya dilindungi oleh film pasif selama korosi. Namun, aluminium dapat berkorosi dengan cepat hingga gagal jika dicengkeram dengan sekrup baja karat, karena korosi galvanik. Sekrup baja karat, di sisi lain, akan lebih tahan terhadap karat! Penyediaan aliran elektron yang stabil oleh anode mencegah korosi dalam logam katode. Untuk alasan ini, kadang-kadang “anode pengorbanan” dipasang pada logam yang akan terpapar laut, seperti pada badan kapal, untuk membantu melindungi membran kapal secara elektrokimia.

Pitting corrosion adalah istilah untuk korosi yang tidak terjadi secara merata di seluruh permukaan logam. Sebaliknya, lubang kecil muncul dalam logam. Area korosi yang lebih cepat ini biasanya karena kegagalan “seal” pada materi, baik itu seal buatan seperti cat atau bubuk coat, atau seal film pasif dari lapisan teratas korosi. Lapisan passivasi mungkin gagal jika ada inklusi dalam logam, atau aloi tidak seragam. Logam adalah struktur kristal yang terdiri dari butir, dan ada berbagai fase dari struktur butir tersebut. Jika kimia tidak teratur atau berubah bentuk, dapat menyebabkan titik-titik yang lebih rentan terhadap korosi, dan bahkan menciptakan korosi galvanik di seluruh tubuh logam yang sama.

Dapatkah baja karat berkarat?

Baja karat adalah aloi ferrous tahan korosi yang melawan karat dengan penambahan kromium. Persentase kromium yang berbeda digunakan untuk membuatnya tahan terhadap penggunaan reguler, atau penggunaan intensif dalam lingkungan salin, seperti dengan baja karat 316.

Namun, bahkan baja karat dapat berkarat! Semua besi yang terkunci dalam logam hanya perlu paparan untuk bereaksi. Ia bergantung pada “seal” pasif lapisan oksida kromium untuk melindunginya.

Lapisan oksida kromium hanya beberapa molekula tebal, dan tidak terbentuk secara instan. Saat baja karat dibuat, dibersihkan dengan asam. Asam ini menghilangkan endapan besi, garam, atau lemak tingkat permukaan apa pun yang dapat menyebabkan masalah untuk reaksi kimia kromium. Bergantung pada jenis asam yang digunakan, dapat menjadi bagian dari proses passivasi, atau hanya menyiapkan baja untuk passivated secara alami di udara.

Karena film pasif ini adalah kimia, dapat terganggu. Panas sangat tinggi di atas 750°F dapat menyebabkan perubahan molekular pada kromium yang mencegah oksidasi, sehingga karat dapat muncul di sekitar lokasi las pada baja karat. Dalam kasus lain, lapisan oksida kromium dapat terompah oleh perubahan panas yang cepat, aus, pecahan, garam, asam, dan penumpukan endapan logam lainnya. Jika baja karat bersentuhan dengan terlalu banyak besi, persentase kromium lokal dapat jatuh di bawah persentase minimum yang diperlukan untuk mempertahankan film (batas bawah pada 10,5%).

Oleh karena itu, menggosok baja karat dengan wulst baja, dapat membuat masalah karat semakin buruk! Saat kromium aus, molekul baja dari gosokan dapat menjadi bagian dari logam dasar, menurunkan konten kromium lokal. Saat passivasi gagal pada baja karat, dan besi terpapar air dan udara, karat muncul.

Cara membersihkarat dari baja karat

Saran membersihkan baja karat sering menyarankan bahwa Anda harus “hati-hati untuk tidak menggerus permukaan kromium,” dan oleh karena itu tidak merekomendasikan menggunakan penggosok dan kimia lain. Ini tidak benar sepenuhnya: karat adalah indikasi bahwa permukaan oksida kromium sudah rusak. Tujuan membersihkarat dari baja karat dalam konteks non-industri (di rumah atau dapur komersial kecil), adalah untuk membersihkan aloi baja karat sepenuhnya terlebih dahulu, menghapus semua karat tetapi juga semua endapan besi, garam, lemak, atau asam, dan kemudian membiarkan materi untuk “auto-passivate,” yang berarti bereaksi dengan udara untuk membentuk kembali seal. Menjauhi semua bentuk besi dan baja saat melakukan ini adalah satu cara untuk puas dengan hasilnya.

Untuk membersihkarat dari baja karat:

1. Penggosok ringan seperti soda baking dapat digunakan untuk menggosok permukaan, dengan kain, spons, atau sikat rambut lembut, untuk menghapus karat.
2. Saat karat dan kontaminan apa pun dihapus, kromium akan auto-passivate, segera, menciptakan perisai pelindungnya sendiri.
3. Lapisan oksida kromium menjadi lebih tebal selama beberapa hari berikutnya, jadi pendinginan udara selama malam membantu membangun perlinduannya!
4. Setelah cuci yang baik, baja karat dapat dibiarkan pendinginan udara, atau dapat dibersihkan dan diupas dengan pembersih baja karat khusus.

Dalam pengaturan manufaktur, baja karat kadang-kadang dibersihkan dalam mandi asam nitrat panas, yang “memaksa” lapisan passivasi yang lebih tebal. Untuk alasan lingkungan, banyak produsen saat ini beralih ke penggunaan asam sitrat untuk membersihkan, seperti yang mungkin lebih umum di rumah, dan kemudian membiarkan baja karat untuk “auto-passivate.”

Cara menghapus karat dari besi cor dan baja

Berbeda dengan menghapus karat dari aloi baja karat, menggunakan wulst baja atau sikat rambut baja dapat membantu menghapus karat dari besi cor atau baja!

Untuk permukaan sederhana, lebih kecil, seperti wajan besi cor yang berkarat:

1. Penggosok dan sedikit usaha dapat menghapus lapisan oksida besi. Garam adalah penggosok yang umum digunakan.
2. Wajan kemudian harus dicuci dengan baik.
3. Wajan harus dikeringkan di atas panas, sehingga semua pori permukaan telah didorong cairannya keluar.
4. Besi cor harus disimpan dengan minyak, yang membentuk seal polimer saat dibakar di atas permukaan.
5. Minyak ini dapat dicat di atas permukaan dalam lapisan tipis lalu dibakar (terbalik untuk mencegah pooling) pada 375° selama 1 jam. Lapisan tambahan dapat ditambahkan jika diinginkan.
6. Minyak biji alsi grade makanan adalah pilihan ideal dalam minyak penyimpanan, memberikan finishing yang keras dan mengkilap.

Menggosok tidak praktis untuk banyak objek dengan bentuk atau ukuran yang kompleks. Dalam hal ini, metode kimiawi untuk pengangkatan dapat menjadi pendekatan terbaik. Mereka memiliki efektivitas yang bervariasi, tergantung pada jenis aloi yang terlibat. Bahan rumah tangga umum seperti cuka, gula merah, atau asam sitrat dapat digunakan. Gula merah adalah pilihan yang mengejutkan, dan memakan waktu lebih lama daripada cuka—namun dapat cukup efektif, karena terurai menjadi asam oksalat, yang membantu menghapus karat.

Produk pembersih karat komersial—sering dibuat dengan asam yang lebih kuat—juga tersedia. Merendam dalam cairan ini dan kemudian mengeluarkan dan mengeringkan dapat efektif dalam memulihkan harta karun berkarat lama.

Seperti wajan besi cor, namun, penting untuk mempertimbangkan bagaimana besi dan baja Anda akan dilindungi dari elemen setelah dibersihkan.

Melindungi logam ferrous

Besi, dalam kehadiran udara dan air, akan berkarat. Ini berarti selama umankind telah bekerja besi, kita juga telah bekerja pada seal terbaik untuk besi. Ada banyak cara untuk membuat lapisan rapat.

Forced passivation—Salah satu bentuk seal yang sangat umum untuk besi atau baja adalah mengkorosi lapisan pertama menjadi oksida besi (II), atau oksida hitam, yang bekerja seperti patina logam lainnya dan mengisolasi logam. Perbedaan satu-satunya antara proses ini dan yang terjadi pada tembaga, seng, atau kromium, adalah bahwa itu tidak akan terjadi di bawah kondisi lingkungan reguler. Oleh karena itu, jika lapisan teratas pada item rusak, seluruh item harus difinisikan kembali. Ini dikenal sebagai “bluing” saat dilakukan pada senjata melalui satu proses, atau “blackening” di sebagian besar bengkel mesin, melalui proses yang serupa tetapi kimia yang sedikit berbeda. Dalam proses blackening dingin, oksida besi (II) dapat dicat di atas permukaan, memberikan perlindungan yang sedikit lebih tahan lama.

Regular use and care, including oiling or waxing—Beberapa besi atau baja yang bekerja akan dibiarkan sebagian besar mentah, di mana penggunaan, perawatan, atau lingkungan akan membuatnya bersih. Secara tradisional, senjata seperti pedang dan perlengkapan seperti pisau mungkin dibiarkan “mentah” namun akan dikeringkan dan diolesi dengan minyak mineral atau masakan, yang adalah seal sementara yang memerlukan penerapan ulang rutin. Untuk penyimpanan panjang, lilin dan pelapis lain dapat digunakan untuk menciptakan seal—satu yang masih akan aus dengan penggunaan.

Bagian mesin yang terpapar minyak reguler mungkin dibiarkan mentah, karena panas dan minyak di sekitar mesin membuatnya tidak mungkin berkarat, tetapi permukaan luar mungkin dicat. Sistem ekskres mobil bergantung pada suhu yang lebih tinggi dari mesin yang benar-benar panas untuk mencegah korosi, dan oleh karena itu mengemudi cukup lama untuk blok mesin memanas adalah cara untuk mencegah karat dalam demper. (Dalam mesin balap berkinerja tinggi, bagian dalam mungkin juga dicat, tetapi ini sebagian besar untuk membantu sirkulasi minyak.)

Applied sealants—Banyak produk besi dan baja dilindungi dengan dilapisi lapisan keras dari bahan lain. Ini meliputi:

• Polymerized oil: Minyak biji alsi (terbuat dari biji alsi, namun tidak standar makanan) adalah salah satu finishing asli untuk produk besi cor. Seorang pande mungkin merendam dalam minyak atau melapisi objek dengan minyak lalu menyala, memberikan luster hitam-coklat tradisional yang masih kita irami pada besi cor hingga hari ini—biasanya dengan lak, cat, atau vernis.
• Hot-dip galvanization: Dalam proses ini, seng diterapkan pada baja atau besi dalam mandi cair. Galvanisasi seng memiliki beberapa properti pelindung. Pertama, ia menciptakan patina, yang mengisolasi seng dan baja atau besi di bawahnya. Kedua, ia lebih “aktif” daripada logam yang diterapkannya. Seumur hidup objek baja yang galvanisasi, seng bertindak sebagai “anode pengorbanan.” Saat menguras, ia melindungi dan memperlambat korosi baja di bawahnya, bahkan jika baja tersebut terpapar.
• Electroplating: Seng dapat diterapkan pada baja bukan melalui mandi celup, tetapi dengan mengalirkan muatan listrik melalui objek baja, dan menyemprot objek dengan partikel seng bermuatan. Ini menyebabkan ikatan listrik yang seragam dan tak terputus di seluruh permukaan logam.
• Powder-coat: Proses penerapan bubuk coating mirip dengan penerapan seng di mana objek dan sealant keduanya diisi muatan elektrostatis, yang berarti ikatan molekular tanpa gangguan terkecil yang akan membiarkan kelembaban melalui. Bubuk resinous kemudian dibakar di atas objek dalam oven panas. Coating akan mempertahankan luster selama tahun, memberikan perlindungan superior dan memerlukan pemeliharaan minimal.
• Paint: Di dalam dan luar, dan bahkan di tengah mesin berkinerja tinggi, cat adalah seal yang populer dan serbaguna. Sebagai seal yang murah, ia masih melakukan pekerjaan yang sangat baik dalam melindungi besi dan baja dari elemen. Saat retak dan aus, cukup mudah untuk menggosok dan mencat lagi. Kekurangan cat adalah kecenderungannya untuk retak dan mengelupas dalam cuaca: bahkan lubang kecil dalam lapisan seal dapat memulai proses karat di bawahnya. Namun, kekurangan ini terkadang dapat diatasi dengan penggunaan bagian atau bagian dari rutinitas pemeliharaan reguler.

Caring for metal objects

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

Besi sangat rentan terhadap oksidasi, dan karat biasanya akan muncul dengan petunjuk air dan oksigen yang paling kecil. Berbeda dengan logam lain, oksidasi ini tidak akan membentuk lapisan pasif seal sendiri. Oleh karena itu, seal biasanya digunakan dengan logam ferrous. Menemukan tipe yang tepat dan memantau logam selama dekades penggunaan dapat membantu memperpanjang kehidupan objek logam apa pun.