Odporność stali nierdzewnej na korozję w świetle obróbki spawaniem TIG

Metody elektrochemiczne

Metody elektrochemiczne stosowane w obróbce wykończeniowej stali nierdzewnej pozwalają na:

a) oczyszczanie a także pasywację obszarów spawanych,
b) elektropolerowanie,
c) znakowanie (barwienie).

Metody elektrochemiczne bazują na zjawisku elektrolizy, w którym jedną z elektrod stanowi element obrabiany. Najczęściej stosowane jest tzw. anodowe czyszczenie – w którym obrabiany materiał ulega polaryzacji, aby był anodą. Podczas procesu elektrolit obecny między powierzchnią obrabianą a pędzlem węglowym, szczotką albo filcem nałożonymi na metalową elektrodę pełni trzy role, a mianowicie:

• umożliwia przepływ prądu elektrycznego,
• pozwala na transport materiału obrabianego w postaci jonów,
• chłodzi obszar reakcji.

Z uwagi na pole elektryczne jony metalu ulegają wyrwaniu z jego powierzchni i przechodzą do roztworu elektrolitu. Proces ten postępuje dokładnie tak, jak w elektrolizie opisanej prawami Faradaya. Zgodnie z opisem Faradaya ilość substancji, która podlega wytrawieniu, jest proporcjonalna do ładunku, jaki przepływa, a zatem do natężenia prądu biorącego udział w procesie. Trawienie prowadzi do odsłonięcia czystego chemicznie metalu, a ponadto anoda podlega utlenianiu, co prowadzi do odbudowania pożądanej warstwy pasywnej. Sam opis tego zjawiska brzmi bardzo prosto, można go realizować za pomocą bardzo prostej aparatury. Najprostsze urządzenia dostępne na rynku składają się z zasilacza, kabla z zaciskiem do podłączenia detalu a także uchwytu z metalową końcówką owiniętą szklaną tkaniną. Końcówkę z tkaniną namacza się w elektrolicie, a następnie pociera powierzchnię obrabianą.

Czy każde urządzenie działa tak samo skutecznie?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, należy odnieść się do wyników badań naukowych poświęconych procesowi elektrolizy z użyciem metalowej anody (którą chcemy obrobić). Wykres zamieszczony na rys. 1 przedstawia zależność natężenia prądu płynącego między elektrodami od przyłożonego do nich napięcia. Z pewnością czytelnik oczekiwałby zależności liniowej, zgodnej z prawem Ohma. Niestety z uwagi na procesy fizykochemiczne zależność ta jest silnie nieliniowa. W miarę zwiększania różnicy potencjałów między elektrodami od zera obserwujemy rejon, w którym dominuje trawienie anody, natężenie prądu rośnie mniej więcej z kwadratem wzrostu napięcia i uzyskuje wartość maksymalną na granicy obszaru, w którym rozpoczyna się proces pasywacji anody. W pewnym przedziale wartości napięć natężenie prądu spada wraz z narastaniem warstwy pasywnej. Następnie występuje szeroki obszar plateau, zakończony nagłym wzrostem natężenia prądu i wejściem w obszar silnego wydzielania gazów na anodzie.

Wiele oferowanych na rynku urządzeń zaopatrzonych jest w bardzo prosty układ regulacji, a właściwie wyboru dwóch trybów pracy: „słaby” i „mocny”. Tak naprawdę są to proste zasilacze, często transformatorowe, a przełącznikiem użytkownik wybiera tylko napięcie pracy. Z oczywistych przyczyn nie pozwala to na dobór najbardziej optymalnego napięcia, które zapewni najpierw wytrawienie elementu i od razu efektywną pasywację. Bardzo często użytkownicy tych urządzeń raportują nadmierne grzanie się detalu, dymienie elektrolitu, jak również bardzo słabe wyniki czyszczenia. Najkorzystniejsze jest użycie urządzeń zawierających układy mikrokontrolerowe. Pozwalają one na precyzyjny dobór parametrów pracy, a nawet same modulują napięcie w funkcji czasu, aby przeprowadzić proces wytrawienia i pasywacji równocześnie w praktycznie kilku ruchach pędzla węglowego.

Na co jeszcze zwrócić uwagę?

Dynamika usuwania przebarwień tlenkowych oraz odtworzenia warstwy pasywnej, poza zależnością od gęstości prądu rozumianej jako liczba amperów na cm² powierzchni styku pędzla z obrabianą powierzchnią, zależy również od temperatury, w jakiej zachodzi proces, oraz od stężenia i składu elektrolitów. Czyszczenie i pasywacja wiążą się z procesem elektropolerowania. W zasadzie używając tego samego elektrolitu, można prowadzić pasywację, jak również elektropolerowanie. Niemniej jednak jeżeli zależy nam przede wszystkim na polerowaniu, należy użyć przeznaczonych do tego elektrolitów. Za pomocą jednego przebiegu uzyskuje się czystą a także lśniącą powierzchnię z odbudowaną tlenkową warstwą ochronną bogatą w tlenek chromu. Badania wykazują, że metody elektrochemiczne pozwalają na osiągnięcie znacznie grubszej warstwy pasywnej w porównaniu do innych metod [4, 5].

Niezależnie od producenta urządzeń do elektrochemicznego czyszczenia i pasywacji otrzymuje się porównywalne własności, świadczące o odbudowaniu warstwy pasywnej [6]. Badania przeprowadzone dla stali nierdzewnej gatunku 316 wykazały, że proces pasywacji z zastosowaniem metody elektrolitycznej zachodzi najskuteczniej w temperaturze około 70°C, przy czym w zależności od temperatury, w jakiej zachodzi proces, wymaga zmiany gęstości prądu. W temperaturach niższych niż 60°C dobre efekty pasywacji uzyskano, stosując gęstość prądu wynoszącą 2,5 A/cm². W temperaturach powyżej 75°C gęstość prądu może być niższa i mieścić się w zakresie 0,75 do 1,0 A/m² [7]. Nowoczesne urządzenia, np. takie, jak na rys. 2, pozwalają na pełną parametryzację pracy od precyzyjnej regulacji szybkości podawania elektrolitu po regulowany przebieg czasowy napięcia na elementach obrabianych.

Ekologia w zakładzie obróbczym

Nowoczesny zakład obróbczy musi działać w zgodzie z szeroko pojętą ekologią. Wymagania takie stawia przed przedsiębiorcami nie tylko społeczeństwo świadome zagrożeń płynących z zanieczyszczeń powstających w warsztatach, licznych odpadów, ale również przepisy prawa lokalnego oraz UE. Z uwagi na to warto stosować urządzenia, które minimalizują ilość odpadów, które trzeba utylizować. Na uwagę zasługuje rozwiązanie o nazwie handlowej Endless­brush. Polega na zastąpieniu popularnych pędzelków węglowych przykręcanych przez miedziany sztyft do uchwytu. Pędzelki te ulegają zużyciu, po czym trzeba je wymienić na nowe. Zużyte, z resztką włosia węglowego i kawałkiem miedzi, są wyrzucane.

W rozwiązaniu pokazanym na rys. 3 wymienny zasobnik zawiera włosie węglowe o długości około 30 cm. Jest wielokrotnością długości typowych pędzelków obecnych na rynku, włosie wysuwane jest pokrętłem w miarę jego zużywania. Użytkownik w razie potrzeby wymienia pusty zasobnik na nowy. Stary można poddać przetworzeniu na granulat do produkcji plastiku, a także strzępki włókien węglowych do wzmocnień posadzek betonowych. Jest to realizacja tzw. taktyki zero waste. Z uwagi na wskazane argumenty stosowanie techniki elektrochemicznej w celu usuwania przebarwień i pasywacji stali nierdzewnej jest zdecydowanie korzystne zarówno ze względów ekonomicznych, jak i z uwagi na warunki BHP oraz ochronę środowiska.

Czytaj też >> Obróbka cieplna w procesie kwalifikowania technologii spawania łukowego stali

Piśmiennictwo

1. Wijesinghe T.L.S.L., Blackwood D.J.: Applied Surface Science. 2006, 253, 1006-1009.
2. Łabanowski J., Głowacka M.: Heat tint colours on stainless steel and welded joints. „Welding International”, 2011.
3. Han W., Fang F.: Fundamental aspects and recent developments in electropolishing. „International Journal of Machine Tools and Manufacture”, 2019, 139.
4. Lee S.J., Lai J.J.: The Effects of Electropolishing (EP) Process Parameters on Corrosion Resistance of 316L Stainless Steel. „J. Mater. Process. Technol.”, 2003.
5. He H., Zhang T., Zhao C., Hou K., Meng G., Shao Y., Wang F.: Effect of alternating voltage passivation on the corrosion resistance of duplex stainless steel. „Appl J. Electrochem”, 2009.
6. Trydell K., Holgersson J.: Pitting Corrosion Evaluation of Post-Weld Cleaning Methods for Stainless Steel Welds, Degree Project In Mechanical Engineering, Second Cycle, 30 Credits Stockholm, Sweden 2019.
7. Hocheng H., Kao P.S., Chen Y.F.: Electropolishing of 316L Stainless Steel for Anticorrosion Passivation. „Journal of Materials Engineering and Performance”, 2001, 10: 414-418.

dr Włodzimierz Masierak
Alpakatech Sp. z o.o.

Galeria