Beitsen en passiveren van roestvast staal

Auteur: Roger Crookes, Sheffield (UK)
Gebaseerd op “Beitsen en passiveren van roestvast staal” door Drs. E. J.D. Uittenbroek, Breda (NL)

Foto’s: E. J.D. Uittenbroek, Vecom, Maassluis (NL), UGINE & ALZ Belgium N.V., Genk (B), Euro Inox (B)

Inhoudsopgave

1. Inleiding – De passivatielaag
2. Vergelijking : verwijderen van de oxydehuid, beitsen, passiveren, reinigen
3. Beitsmethoden
4. Passivatiebehandelingen
5. Lasaanloopkleuren
6. Roestvorming door contaminatie
7. Voorschrijven van beitsen en passiveren

1 Inleiding – De passivatielaag

De corrosieweerstand van roestvast staal is te danken aan een “passieve” chroomrijke oxidelaag die op natuurlijke wijze gevormd wordt aan de oppervlakte van het roestvast staal. Dit is de “natuurlijke” verschijningsvorm en wordt omschreven als “de passieve toestand”.

Roestvast staal zal op natuurlijke wijze “autopassiveren” wanneer een zuiver oppervlak blootgesteld wordt aan een omgeving die voldoende zuurstof kan voorzien om de chroomrijke oppervlaktelaag te vormen.

Dit gebeurt automatisch en ogenblikkelijk zolang er voldoende zuurstof voorhanden is aan de oppervlakte van het staal. De passivatielaag neemt nog wat toe in dikte na zijn initiële vorming. Natuurlijke verschijnselen zoals contact met lucht of belucht water vormen en bestendigen de corrosiebestendige passieve toestand. Zodoende kan roestvast staal zijn corrosieweerstand behouden zelfs wanneer mechanische beschadiging (krassen of verspanen) optreedt. Er is dus een “ingebouwd” zelfherstellend mechanisme aanwezig.

Het zelfherstellend mechanisme wordt vooral bepaald door het chroom. In tegenstelling tot koolstof-, of laaggelegeerd staal, dient roestvast staal minimaal 10,5% (gewicht) chroom te bevatten (en maximaal 1,2% koolstof). Aldus wordt roestvast staal in EN 10088-1 gedefinieerd. De corrosieweerstand van deze stalen kan worden verhoogd door toevoeging van andere legeringselementen als nikkel, molybdeen, stikstof en titaan (of niobium). Dit levert een reeks staaltypes op met corrosiewerende eigenschappen over een breed scala aan gebruiksomstandigheden alsook verhoogde eigenschappen op het vlak van vervormbaarheid, sterkte en hitte (brand-) bestendigheid.

Roestvast staal kan niet onder alle omstandigheden als corrosiebestendig beschouwd worden. In functie van het staaltype kunnen er omstandigheden optreden waarbij de passieve toestand verbroken wordt en niet kan hersteld worden. Dit maakt de oppervlakte “actief” zodat corrosie kan optreden. Bij roestvast staal kan het oppervlak actief worden in beperkte, zuurstofarme zones, zoals mechanische verbindingen, scherpe hoeken of slecht verzorgde lasnaden. Dit kan leiden tot locale vormen van corrosie als spleetcorrosie of putcorrosie.

2. Vergelijking: verwijderen van de oxidehuid, beitsen, passiveren, reinigen

De begrippen 'desoxidatie', 'beitsen’ en 'passiveren' worden vaak door elkaar gehaald, maar betreffen wel degelijk verschillende processen. Het is belangrijk duidelijk te zijn over de verschillen tussen deze oppervlaktebehandelingen zoals ze op roestvast staal worden toegepast.

2.1 Verwijderen van de oxidehuid

Verwijderen van de oxidehuid betreft de dikke zichtbare oxidelaag aan het oppervlak. De kleur is gewoonlijk donkergrijs. Deze bewerking wordt gewoonlijk door de staalfabrieken uitgevoerd voor de levering. Verwijderen van de oxidehuid bestaat doorgaans uit twee stappen: de eerste ingreep maakt de oxidehuid los, de tweede verwijdert de losgekomen oxidehuid van het metaaloppervlak. De blootgestelde metaaloppervlakte wordt gewoonlijk aansluitend gebeitst om het metaal dat zich net onder de oxidehuid bevindt te verwijderen, maar het beitsen moet als een apart proces beschouwd worden. Hoewel enige lichte oxidatie kan optreden in de warmte-beïnvloede zones van lasnaden, of bij warmtebehandelingen op hoge temperatuur van roestvast stalen onderdelen, is verdere desoxidatie gewoonlijk niet vereist.

Links: Warmgewalste roestvast stalen oppervlakte. De hoge warmwalstemperaturen leiden onvermijdelijk tot een dergelijke zwartgrijze oxidehuid. Deze wordt in de staalfabriek verwijderd.
Rechts: Het verwijderen van de oxidehuid en het beitsen levert een matgrijze oppervlakte op. De mechanische bewerking maakt de oppervlakte ruwer.

2.2 Beitsen

Beitsen betekent het verwijderen van een dunne laag ‘metaal’ van het roestvaste oppervlak. Gewoonlijk worden hiervoor mengsels van salpeter- en fluorzuur gebruikt. Beitsen is het proces dat gebruikt wordt om zones met lasverkleuringen – waar het chroomgehalte verminderd is – van het oppervlak te verwijderen.

2.3 Passivatie

Passivatie gebeurt doorgaans vanzelf aan het roestvast stalen oppervlak. Soms kan het noodzakelijk zijn om het proces te ondersteunen door oxiderende zuurbehandelingen. In tegenstelling tot het beitsproces wordt bij het passiveren geen metaal van het oppervlak verwijderd. De kwaliteit en de dikte van de passivatielaag ontwikkelen zich echter snel tijdens passivatiebehandelingen met zuren.

Door omstandigheden kan het beitsen en passiveren na elkaar (gescheiden) uitgevoerd worden, bijvoorbeeld bij behandelingen met salpeterzuur, maar dit zuur kan op zichzelf uitsluitend de passivatie bewerkstelligen. Het is niet geschikt voor beitsbehandelingen.

2.4 Reinigen

Zuurbehandelingen zijn op zichzelf niet voldoende voor de verwijdering van olie, vet of anorganische componenten, die de vorming van de passivatielaag bemoeilijken. Combinaties van ontvetten, reinigen, beitsen en passiveren kunnen noodzakelijk zijn om bewerkte of samengestelde roestvast stalen oppervlakken volledig voor te bereiden op de vereiste gebruiksomstandigheden. Bij vervuiling door vet of olie, moet een reinigingsbehandeling worden uitgevoerd vooraleer de zuurbehandeling plaatsheeft.

3. Soorten beitsbehandelingen

Er bestaat een hele reeks beitsmethoden die gebruikt kunnen worden voor roestvast stalen constructies, bouwelementen en architecturale realisaties. De belangrijkste componenten ervan zijn salpeter- en fluorzuur. De belangrijkste methoden die door specialisten gehanteerd worden voor volledige constructies of voor grote oppervlakken zijn:

• Dompelbeitsen
• Sproeibeitsen

Dompelbeitsen houdt gewoonlijk een offsite behandeling in bij de fabrikant of bij de gespecialiseerde beitsfirma.

Sproeibeitsen kan ter plaatse gebeuren, maar dient uitgevoerd te worden door specialisten volgens de juiste procedures en uitrusting voor veiligheid en zuurrestbehandeling. Dompelbeitsen heeft als voordeel dat alle oppervlakken van de constructie optimaal behandeld worden met het oog op corrosieweerstand en homogeniteit van de beitsing. Vanuit gezondheids- en veiligheidsstandpunt bekeken is het ook de beste keuze aangezien het steeds buiten de normale locatie wordt uitgevoerd.

Beitsen kan uitgevoerd worden door een bedrijf gespecialiseerd in roestvast staal waar het proces nauwkeurig kan gecontroleerd worden en de impact op de omgeving geminimaliseerd wordt.

Kleinere zones, vooral rond lasnaden, kunnen als volgt gebeitst worden:

• Pasta’s of gels die met een borstel worden aangebracht
• Elektromechanisch reinigen

Deze methoden kan men ter plaatse uitvoeren en vereisen geen inbreng van specialisten voor doeltreffende en veilige uitvoering van de behandeling. Adequate expertise en supervisie moeten beschikbaar zijn om de risico’s op het vlak van gezondheid, veiligheid en milieu te minimaliseren bij het realiseren van een correct gebeitst oppervlak.

Er kan toch corrosie optreden wanneer zuurcontacttijden en eindspoelingsprocedures niet volgens de voorschriften van de leverancier worden gevolgd. De contacttijden kunnen verschillen naargelang het staaltype. De uitvoerders dienen bewust te zijn van het specifieke staaltype dat gebeitst wordt en van het gevaar van de gebruikte producten. Zo worden veilige en bevredigende resultaten geboekt. Het is belangrijk dat alle sporen van beitsproducten, beitsresten en vervuiling volledig weggespoeld worden van het oppervlak teneinde een volledig corrosiebestendig en vlekvrij oppervlak te bekomen. Bekwame roestvast staal reinigingsspecialisten gebruiken doorgaans gedemineraliseerd (gedistilleerd) water voor de eindspoeling om een optimaal resultaat te bekomen op architecturale constructies.

Uw nationale marktontwikkelingsorganisatie voor roestvast staal zou U moeten kunnen adviseren aangaande plaatselijke specialisten inzake beitsproducten en –service.

4. Passivatiebehandelingen

De passivatielaag van roestvast staal is niet zomaar een oxidehuid die zou gevormd worden bij hoge temperatuur. Tijdens het verwarmen wordt de natuurlijke passivatielaag dikker waardoor warmtetinten en finaal een donkergrijs oxide gevormd worden. Meestal resulteren deze zichtbare oxidelagen in verminderde corrosieweerstand bij omgevingstemperatuur. Roestvast stalen onderdelen zoals in industriële ovens (ontworpen voor gebruik bij hoge temperatuur) maken net gebruik van deze dikke taaie oxides voor de oxidatieweerstand bij hoge temperatuur.

Onderdelen die ontworpen zijn voor gebruik bij omgevingstemperatuur daarentegen steunen op de dunne transparante passivatielaag voor de corrosiebescherming. Hoewel deze passivatie normaal gesproken vanzelf gebeurt, kan de vorming van een chroomrijke passiverende oxidelaag bevorderd worden door sterk oxiderende omstandigheden. Salpeterzuur is hier erg geschikt voor en wordt frequent gebruikt in commercieel beschikbare behandelingen voor roestvast staal. Zwakker oxiderende zuren, zoals citroenzuur kunnen ook bijdragen tot het vormen van de passivatielaag.

Zuurpassivatie dient eerder als uitzondering dan als regel beschouwd te worden voor roestvast stalen onderdelen en constructies. Door fabrieken en gereputeerde handelaren verstrekt roestvast staal is reeds passief. De behandeling kan wel aangewezen zijn voor complexe gedraaide stukken.

Bij deze speciale gevallen kan de zuurstoftoevoer naar alle nieuw gevormde oppervlakken beperkt zijn, zodat de natuurlijke passivatie daar langer kan duren dan op de blootgestelde oppervlakken.

Het gevaar bestaat dat wanneer dergelijke stukken dadelijk in gebruik worden genomen in een omgeving die doorgaans als geschikt beschouwd wordt voor het gebruikte staaltype, deze niet volledig gepassiveerd zijn en er toch corrosie optreedt. Zuurpassivatie zal in deze gevallen onnodige corrosierisico’s doen verdwijnen.

Vooraleer zuurpassivatie wordt uitgevoerd dienen roestvast stalen oppervlakken:

• vrij van elke vorm van oxide te zijn (door verwijderen van oxidehuid)
• vrij te zijn van metaallagen die in chroom verarmd zijn (door oxidevorming) of verkleurd zijn (beide door beitsen)
• zuiver te zijn (vrij van organische vervuiling, machinevet of olie)

Indien dit niet het geval is zal de passivatie niet doeltreffend zijn.

5. Lasverkleuringen

Aanloopkleuren zijn het resultaat van de verdikking van de natuurlijk gevormde oxidelaag aan het oppervlak van het roestvast staal. De gevormde tinten zijn gelijkaardig aan de verkleuringen die men kan waarnemen op staaloppervlakken na warmtebehandelingen. Ze variëren van lichtgeel tot donkerblauw.

Aanloopkleuren kan men aantreffen in de warmte-beïnvloede zones van gelaste staalconstructies, zelfs wanneer beschermgas werd gebruikt (andere parameters zoals de lassnelheid kunnen de mate van gevormde aanloopkleuren rond de lasnaad bepalen).

Bij het ontstaan van aanloopkleuren migreert chroom naar de oppervlakte van het staal gezien dit element gemakkelijker oxideert dan het aanwezige ijzer. Zo ontstaat een laag die armer is aan chroom – en dus met een verminderde corrosieweerstand - net onder de oppervlakte.

Zichtbare lasverkleuring op het roestvast stalen oppervlak vermindert de corrosieweerstand ervan. Het is dus een bewijs van goed vakmanschap indien de verkleuring volledig verwijderd wordt. Voor bouwtoepassingen verbetert dit niet alleen de esthetische kwaliteiten van de roestvast stalen constructie, maar het herstelt ook de corrosieweerstand volledig.

Aanloopkleuren op roestvast stalen constructies kunnen verwijderd worden door zure pasta’s of gels (met borstel aan te brengen), sproeibeitsen, dompelbeitsen of elektrochemische methoden, evenwel steeds na zorgvuldig ontvetten van de betroffen zone. Combinaties van technieken kunnen noodzakelijk zijn gezien behandelingen met salpeterzuur op zichzelf onvoldoende zijn om genoeg metaal van de oppervlakte te verwijderen. Dit kunnen mechanische behandelingen zijn (schuren of slijpen) gevolgd door behandeling met salpeterzuur.

Het is belangrijk dat lasverkleuring verwijderd wordt van verborgen stukken lasnaad, wanneer deze verondersteld zijn om aan de gebruiksomstandigheden te worden blootgesteld.

De voorschriften van de leverancier van beitsproducten dienen nauwkeurig te worden opgevolgd wanneer lasverkleuring wordt verwijderd omdat deze producten voor de gezondheid schadelijke zuren bevatten. Wanneer te lange contacttijden worden gehanteerd kan putcorrosie aan de oppervlakte optreden.

6. Roestvorming door contaminatie

Voor een optimale corrosieweerstand moeten roestvast stalen oppervlakken zuiver en vrij van organische (vet, olie, verf) en metallische (ijzer- of koolstofstaalresten) contaminatie zijn. Voor leveringen door staalfabrieken of gereputeerde verdelers van roestvast staal is dit doorgaans het geval.

Vakkundig vervaardigde roestvast stalen onderdelen zullen mits een correcte typekeuze en afwerking geen roest vertonen, tenzij er contaminatie is opgetreden.

Roestvorming door contact met koolstofstaal wordt vaak aangezien als corrosie van het roestvast staal zélf. Dit kan gaan van een oppervlakkige bruine verkleuring tot roestige krassen of putcorrosie op bijvoorbeeld leuningen. Dit is een veel voorkomende klacht na installatie en oplevering van architecturale roestvast stalen constructies.

De kosten in verband met “ijzercontaminatie”, zoals het meestal genoemd wordt, kunnen na oplevering hoog oplopen. Het kan gemakkelijk vermeden worden door het juiste vakmanschap, maar nog steeds verholpen worden door de gepaste behandeling.

Bronnen van ijzercontaminatie op roestvast staal zijn onder andere:

• Het gebruik van koolstof stalen gereedschap, procedures en hefwerktuigen zonder gepaste voorafgaandelijke reiniging.
• Snijden, bewerken en verbinden van materialen in “multi-metaal” omgevingen, zonder gepaste scheiding van materialen of reiniging.

Wanneer er een vermoeden bestaat van oppervlaktecontaminatie, kunnen meerdere tests worden uitgevoerd om dit te staven. De Amerikaanse normen ASTM A380 en A967 beschrijven tests inzake ijzercontaminatie.

Bepaalde tests doen niet meer dan roestvlekken als gevolg van contact met water of sterk vochtige omgevingen detecteren na een zekere blootstellingsduur. Om het vrije ijzer te vinden dat aan de basis ligt van de roestvorming, is echter de “ferroxyl test” meer aangewezen.

Deze gevoelige test detecteert ofwel vrij ijzer ofwel contaminatie door ijzeroxide. ASTM A380 sectie 7.3.4. beschrijft de gedetailleerde werkwijze waarbij een oplossing van salpeterzuur, gedistilleerd water en kaliumcyanide wordt gebruikt. Hoewel dit kan uitgevoerd worden volgens de voorschriften in ASTM A380, zouden bereidingen beschikbaar moeten zijn bij gespecialiseerde leveranciers van beits- en reinigingsmiddelen voor roestvast staal.

Uw nationale marktontwikkelingsorganisatie voor roestvast staal zou U moeten kunnen adviseren aangaande plaatselijk beschikbare producten.

Wanneer ijzercontaminatie gedetecteerd wordt, moeten alle sporen verwijderd worden.

Elk proces dat ingewalst ijzer volledig kan verwijderen is bruikbaar, maar het is wel belangrijk dat alle vervuiling verwijderd en niet verspreid wordt over het oppervlak van de constructie. Verwijdering met inbegrip van een zuurbehandeling is te verkiezen boven een enkelvoudige abrasieve methode zoals borstelen of schuren.

Wanneer roestvast stalen oppervlakken uitsluitend gedecontamineerd dienen te worden, moet het gebruik van salpeterzuur/ fluorzuur mengsels vermeden worden. Indien onzorgvuldig uitgevoerd, ontstaat bij gebruik ervan immers een etsend effect dat meestal ongewenst is.

Uw nationale marktontwikkelingsorganisatie voor roestvast staal zou U moeten kunnen adviseren inzake gespecialiseerde bedrijven voor het verwijderen van ijzercontaminatie en algemeen onderhoud en reiniging van architecturale constructies.

7. Voorschrijven van beitsen en passiveren

Dompelbeitsen, sproeibeitsen en passiveringen met salpeterzuur moeten aan bekwame specialisten worden toevertrouwd.

De keuze en controle van deze potentieel gevaarlijke behandelingen zijn zeer kritisch voor het bekomen van afwerkingen die voldoende corrosiebestendig zijn.

Om te verzekeren dat er gewerkt wordt volgens alle over het onderwerp geldende nationale en Europese regels en wetten inzake gezondheid, veiligheid en milieu, dienen specialisten zorgvuldig te worden geselecteerd.

Indien zulks aangewezen is, kunnen het te volgen procédé alsook de gewenste oppervlakte-afwerking overeengekomen en gespecificeerd worden. In contractuele vorm gebeurt dit best op basis van monsters en niet alleen aan de hand van meetwaarden als de R_a-waarde of de glanswaarde.

Passivatie maakt het onderwerp uit van een Europese norm:

• EN 2516:1997 Passivation of corrosion resisting steels and decontamination of nickel base alloys.

Aan de verschillende families roestvast staal worden procescategorieën toegewezen die een éénstaps- dan wel een tweestaps-passivatiebehandeling op basis van salpeterzuur of natriumdichromaat inhouden.

De Amerikaanse normen beschrijven een breder spectrum van behandelingen waaronder reinigen, beitsen en passiveren. De belangrijkste zijn als volgt:

• ASTM A380 – Practice for Cleaning, Descaling and Passivating of Stainless Steel Parts, Equipment and Systems
• ASTM A967 – Specification for Chemical Passivation Treatments for Stainless Steel Parts

Uw nationale marktontwikkelingsorganisatie voor roestvast staal zou U moeten kunnen adviseren over bedrijven, gespecialiseerd in het opstellen van procedures inzake oppervlakteafwerking voor specifieke projecten.