ROSTFRITT STÅL OCH KORROSION
av Claus Qvist Jessen
Rostfritt stål och korrosion
av Claus Qvist Jessen
1. utgåvan, 1:a upplagan 2011
© 2011 Damstahl a/s
Alla rättigheter förbehålles.
Redaktion Claus Qvist Jessen och Damstahl
Layout och illustrationer Rune Bøttzauw
Foto Claus Qvist Jessen
Omslagsfoto Claus Qvist Jessen / Damstahl
Omslag Lia Johnsson / KAN AB
Tryck Förlaget Møller & Nielsen
Sättning och ombrytning Förlaget Møller & Nielsen
Översättare LanguageWire A/S
Mångfaldigande eller reproduktion av innehållet är inte tillåtet
utan skriftlig tillåtelse från Damstahl a/s
Tryckt i Danmark 2011
,&(&2/$%
5'
(/
ISBN 978-91-633-978-9
12
www.damstahl.se
FÖRORD
För de ﬂesta människor är rostfritt stål ett bruksmaterial med mängder av ﬁna egenskaper.
Det är ﬁnt och blankt och lätt att rengöra, det utstrålar kvalitet och så är det - precis som
namnet antyder - rostfritt. Eller är det verkligen det? Tyvärr är det inte alltid så. För även om
rostfritt stål i de allra ﬂesta fall håller sig både snyggt och rostfritt går det ibland snett och
stålet börjar rosta. Hur kan detta komma sig?
Gräver man lite i litteraturen för att hitta en förklaring, hamnar man lätt i en tung och kryptisk
ingenjörsvärld fylld av trista ekvationer och formler. Däremot ﬁnns det inte mycket som kan
läsas och förstås av gemene man. Den här boken är ett försök att täppa igen den luckan, för till
skillnad mot nästan alla andra böcker om rostfritt stål, korrosion och metallurgi är den inte
skriven för fullfjädrade ingenjörer. I stället vänder sig boken till yrkesutbildade hantverkare
som vill vidga sina vyer på området rostfritt stål.
Oavsett målgrupp skrivs ingen bok i ett vakuum och jag vill rikta ett särskilt stort tack
till Damstahls verkställande direktör Mikael Sthaalros, som lider av samma smittsamma
åkomma som jag själv: Vi tycker nämligen att teknisk kunskap är både spännande och
intressant och spännande kunskap ska man dela med sig av och då helst på ett lite lekfullt
sätt så att läsaren inte somnar. Kunskap är inte mycket värd om den inte sprids på rätt ställen.
På det ämnesmässiga planet vill jag rikta ett stort tack till i synnerhet Erik-Ole Jensen, Arla
Foods amba och professor Per Møller från MEK, DTU samt Torben Henriksen, Migatronic
A/S, Jesper Nielsen, Preben Z. Jensen A/S och Jon Kold, Stålcentrum som alla lämnat värdefulla
bidrag till denna bok. Vidare vill jag tacka mina före detta kolleger på FORCE Technology
och Cleanodan A/S / Steel-Tech ApS, båda i Brøndby, för ett givande och konstruktivt utbyte
av tankar och erfarenheter. Det är svårt att vara expert på allt och jag blir i vart fall aldrig
för gammal för att lära mig mer.
Jag vill också rikta ett stort tack till alla mina ﬁna kolleger på Damstahl och Damstahls många
kunder och de studenter som under de senaste fyra åren bombarderat mig med så många
konstruktiva frågor att det nu blivit en hel bok av alla svaren. Det skadar inte att bygga broar
mellan vetgiriga kunder och Damstahls rostfria hjärnceller.
Sist, men inte minst, förtjänar min hustru Annette ett stort tack för sitt oändliga tålamod
med de senaste årens excessiva skrivande. Inte nog med att arbetet med boken gått ut
över hemtrevnaden och att det förekommit en hel del nattmanglingar. Hon har även fått
sitt köksbord belamrat av allehanda tingestar av rostfritt stål som utsatts för dekorativa
korrosionsangrepp. Ingenting går upp mot ett snyggt punktfrätningsangrepp eller ett exempel
på spänningskorrosion mitt upp i köttfärs, sallad och lök...
Skanderborg, mars 2011
Claus Qvist Jessen
[email protected]
www.damstahl.dk
III
Rostfritt stål och korrosion
MIKAEL STHAALROS
IV
VAR SÅ GOD!
En del av er sitter kanske med boken i handen och tänker:
"Varför ger Damstahl ut en bok i stället för att koncentrera sig på att sälja stål?"
Svaret är enkelt:
Därför att vi vill vara bäst i världen på att ha kunder!
Och för detta krävs:
Att vi bidrar maximalt till våra kunders konkurrenskraft och lönsamhet.
Att vi i egenskap av samarbetsparter vill mycket mer än att bara köpa och sälja.
Att vi ställer vår stora kompetensmassa till våra kunders förfogande - på Damstahl ﬁnns
fullt av spännande kunnande och erfarna medarbetare.
Jag är glad att Claus tog på sig uppgiften att "tömma sitt ljushuvud" och dela med sig av
sina stora och omfattande kunskaper med oss alla. Generöst!
Dessutom är jag tacksam för att Claus har skrivit boken på ett så levande och inspirerande
sätt att även jag kan förstå innehållet.
Jag överlämnar stolt boken till alla med intresse för rostfritt stål.
I vind och väder
Mikael Sthaalros
Koncerndirektör, CEO
Damstahl a/s
V
Rostfritt stål och korrosion
PER MØLLER
VI
Håll i boken!
"Rostfritt stål och korrosion" är en bok som är värd att ha i sin ägo oavsett om man är
hantverkare, studerande, arkitekt, ingenjör eller kanske till och med materialforskare. Boken
börjar med en presentation av huvudgrupper och användningsområden för rostfritt stål.
Därefter går man vidare till metallurgin, bl.a. med en genomgång av Schäffler-diagrammet.
Efter en beskrivning av de mekaniska egenskaperna för de olika ståltyperna analyseras de
enskilda legeringsämnenas betydelse. Naturligtvis med särskilt fokus på legeringsämnet
nickel vars höga pris på senare år fått priserna på rostfritt stål att skjuta i höjden. När sådant
inträﬀar är det många som frågar sig om man verkligen behöver nickel i rostfritt stål. – Detta
är en fråga som boken besvarar på ett tämligen utförligt och nyanserat sätt.
Så kommer vi till korrosion.
Korrosion kostar oerhörda pengar och utgör i storleksordningen 5 % av ett lands
bruttonationalprodukt. Det går inte helt att undkomma korrosionsskador men undersökningar
visar att kostnaderna för korrosion kan reduceras betydligt, med ända upp till 30 %, om man
bara har rätt kunskaper. Författaren har därför gjort rätt i att viga en tredjedel av boken åt
detta problem. Här ﬁnns bokstavligt talat pengar att hämta om man går rätt till väga.
Kapitel 8 lotsar med säker hand alla genom djungeln av Werkstoff-nummer och
EN-beteckningar. Kapitlet följs av en genomgång av leveransformerna för rostfritt stål med
fokus på allt från ytor på plåt och coils till rör och rördelar.
Bearbetning är nästa naturliga fokusområde. Boken illustrerar nämligen klart och tydligt
att man även efter att ha köpt ett optimalt material snabbt kan ställas inför nya problem.
Detta gäller inte minst om materialet ska svetsas, men även enkla ingrepp som klippning,
sågning och skärning kan bjuda på utmaningar.
Efter bearbetningen går man vidare till ytbehandling som antingen utförs mekaniskt,
kemiskt eller elektrokemiskt. Boken tar upp allt från slipning, betning och passivering till
elektropolering.
Helt symboliskt har kapitel 13 fått rubriken "När olyckan varit framme". Ett kapitel som följs
av tips och goda råd för kontroll som syftar till att förebygga eller åtgärda korrosionsskador.
I slutet av boken ﬁnns en ordlista och termförklaringar samt nyttiga hänvisningarna vilket
bidrar till en fullständig överblick.
Boken är författad på ett lätt och ledigt språk. Det är nästan som att höra författaren själv
tala. Han försöker hålla läsarens intresse vid liv och släpper inte taget om läsaren förrän
budskapet är förmedlat. Det är svårt att lägga boken ifrån sig eftersom den är späckad med
nyttig information - information som alla bör få tillgång till.
Här kommer en varning till alla nya bokägare: Håll hårt i den! Den hör till de böcker som
man inte ska låna ut. Man får nämligen aldrig tillbaka dem!
Per Møller
Professor i korrosion och ytbehandlingsteknik
Institutet för Mekanisk teknik (MEK)
Danmarks tekniska universitet, Lyngby
VII
INDHOLDSFORTEGNELSE
INLEDNING __________________________________________________ 1
2. ROSTFRITT STÅLS HISTORIA ________________________________ 7
1.1
Harry Brearlys gevärspipor
7
1.2
Tyska austeniter och storpolitiskt manganstål
8
1.3
Nordsjöolja och superstål
9
1.4
Dagens nickelfria ferriter
10
3. TYPER OCH ANVÄNDNINGSOMRÅDEN FÖR ROSTFRITT STÅL __13
2.1
Austenitiskt, rostfritt stål
13
2.2
Martensitiskt, rostfritt stål
15
2.3
Ferritiskt, rostfritt stål
17
2.4
Duplex, rostfritt stål
20
2.5
Utskiljningshärdat, rostfritt stål
(precipitation hardening, PH)
22
4. ROSTFRITT STÅLS METALLURGI ___________________________ 25
3.1
3.2
3.3
3.4
Rostfria strukturer
25
3.1.1
26
Schäffler-diagrammet
Härdningsmekanismer
28
3.2.1
Martensithärdning
28
3.2.2
Andra härdningsmekanismer
29
Styrka och hårdhet
30
3.3.1
Styrkeförhållanden för olika legeringar
33
3.3.2
Styrka kontra temperatur
35
3.3.3
Seghet och sprödhet
36
Termiska förhållanden
38
5. ROSTFRIA STÅLS LEGERINGSTILLSATSER ___________________ 41
4.1
Legeringstillsatser
41
4.2
Legeringstillsatser, sammanfattning
49
5. ALLMÄNT OM KORROSION ___________________________________ 51
5.1
Vad är korrosion?
5.2
Överföring av elektroner
53
5.3
Spänningsområde
54
5.3.1
56
5.4
5.5
5.6
Ädla och oädla metaller
51
Korrosionspotentialen / blandningspotentialen
57
5.4.1
Mediets betydelse för spänningsserien
58
5.4.2
Mediets elektriska ledningsförmåga
60
Galvanisk koppling
62
5.5.1
Ytförhållande och katodiskt skydd
64
5.5.2
Elektrolyten – galvanisk koppling över och under vattenytan
66
Passivitet
66
5.6.1
Korrosion av passiverbara legeringar
68
5.6.2
När passiviteten slår fel
69
5.6.3
Fisklinesyndromet
70
6. ROSTFRITT STÅLS KORROSIONSEGENSKAPER __________________73
6.1
6.2
6.3
6.4
Allmän korrosion
74
6.1.1
Isokorrosionsdiagram
75
6.1.2
Miljöfaktorer i syror
77
6.1.3
Legeringstillsatsernas eﬀekt på allmän korrosion
79
6.1.4
Allmän korrosion i starkt alkaliska medier
81
6.1.5
Transpassivitet och vandrande strömmar
82
Punktfrätning
83
6.2.1
85
Miljöfaktorer vid punktfrätning
6.2.2
Kritisk punktfrätningstemperatur (CPT)
85
6.2.3
Korrosionspotentialen och pH
88
6.2.4
Orenheter, salter och andra okända faktorer
90
6.2.5
Legeringstillsatsernas eﬀekt mot punktfrätning
92
6.2.6
Pitting Resistance Equivalent, PREN
93
6.2.7
Rost
97
6.2.8
Ferritiska, rostfria stål och nickellegeringar
98
Spaltkorrosion
100
6.3.1
Mikrobiellt inducerad korrosion (MIC)
103
6.3.2
Bekämpning av spaltkorrosion
105
Spänningskorrosion
107
6.4.1
Mekanisk dragspänning
109
6.4.2
Miljöfaktorer vid spänningskorrosion
111
6.4.3
Legeringstillsatsernas inverkan på spänningskorrosion
113
6.5
6.6
Interkristallin korrosion
115
6.5.1
TTS-diagram och stålets kolhalt
116
6.5.2
Titanstabiliserat, rostfritt stål
118
6.5.3
Interkristallin korrosion – vilka medier?
Tid
119
120
6.7
Kan man stoppa korrosionsangrepp i rostfritt stål?
121
6.8
Rostfritt stål i kontakt med andra metaller
124
6.8.1
126
6.9
Rostfritt stål och andra metaller ovanför vattenytan
Rostfritt stål för livsmedelstillämpningar
128
6.9.1
Ståltyper för livsmedelstillämpningar
128
6.9.2
Registrering och godkännande
130
6.9.3
Hygienisk utformning och drift
130
7. KORROSION OVANFÖR VATTENYTAN ______________________ 133
7.1
Miljön ovanför vattenytan
133
7.2
Punktfrätning ovanför vattenytan
134
7.2.1
Kontakttiden
136
7.2.2
Konstruktions- och vädermässiga förhållanden
138
7.2.3
Avdunstning och kritisk luftfuktighet
139
7.3
Inomhusförhållanden
140
7.4
Spänningskorrosion ovanför vattenytan
141
8. ROSTFRIA STANDARDER __________________________________ 145
8.1
8.2
EN/W.Nr.-systemet
146
8.1.1
149
Kurznahmen
8.1.2
Legeringstabell, EN-systemet
149
8.1.3
W.Nr. till EN
154
AISI-systemet
154
8.3
UNS-systemet
158
8.4
Det svenska SS-systemet
159
8.5
Jämförelse av standarder
161
8.5.1
163
Jämförelse av syrafasta stål
8.6
Gjutlegeringar
165
8.7
Standarder för skruvar och muttrar
167
9. LEVERANSFORMER OCH -STANDARDER ___________________ 169
9.1
Plåt och coils
169
9.1.1
Ytskick, plåt
170
9.1.2
Mönstervalsade och färgade rostfria plåtar
174
9.2
Rör
175
9.2.1
HF-svetsade och Super Dairy-rör
177
9.2.2
Sömlösa rör
179
9.2.3
Proﬁlrör och ämnesrör
180
9.3
Långa produkter
181
9.4
Fittings
182
9.4.1
Pressﬁttings
183
9.5
Normöversikt
184
9.6
Certiﬁkat
187
10. BEARBETNING AV ROSTFRITT STÅL __________________________ 191
- Konsekvenser för korrosionsbeständigheten
10.1
10.2
10.3
10.4
Svetsning, korrosionsmässiga konsekvenser
192
10.1.1 Svetsmetallen / val av tillsatstråd
193
10.1.2 Svetsning av materialkombinationer
195
10.1.3 Geometriska problem vid svetsning
197
10.1.4 Uppvärmning, karbidbildning och intermetalliska faser
199
10.1.5 Anlöpningar
202
10.1.6 Referensatlas
205
10.1.7 Skyddsgas: Argon och formier
207
10.1.8 Förbehandling av rör
209
10.1.9 Anlöpningar kontra betning
212
10.1.10 Fysiska förhållanden för svetsaren
213
10.1.11 Svetsning och bockning av ferritiskt, rostfritt stål
213
Klippning, sågning och andra skärmetoder
215
10.2.1 Vinkelslipar och svetssprut
216
Hantering, transport och risk för järnsmitta
218
Designmässiga förhållanden och korrosionsbeständighet
219
10.4.1 Dränerbarhet
220
10.4.2 Att undgå spalter
221
10.4.3 Värmeöverföring
221
10.4.4 Köldbroar och kondens
223
11. MEKANISK YTBEHANDLING _________________________________225
11.1
Slipning, borstning och polering
11.1.1
Sliptips och knep
11.1.2 Nackdelar vid slipning
11.2
227
229
230
11.1.3 Ytskrovlighet och ytproﬁler
231
Blästring och slungrensning
236
12. KEMISK OCH ELEKTROKEMISK YTBEHANDLING __________ 241
12.1
12.2
12.3
12.4
Betning
242
12.1.1 Sammansättning av betbadet
244
12.1.2 Flussyra kontra saltsyra
246
12.1.3 Dopp- och badbetning
248
12.1.4 Spray- och pastabetning
250
12.1.5 Betning i praktiken; fördelar, nackdelar och stalltips
252
12.1.6 Elektrolytisk betning
257
Passivering
259
12.2.1 Passiveringsbadet
259
Dekontaminering
260
12.3.1 Bad för dekontaminering
261
12.3.2 Järnsmitta och "rouge"
261
Elektropolering
264
12.4.1 Bad och verkan
265
12.4.2 Vilka ståltyper och ämnen går att elektropolera?
269
12.4.3 Fördelar och nackdelar vid elektropolering
270
12.4.4 Tillämpning av elektropolering
271
12.5
Kemisk ytbehandling, sammanfattning
272
12.6
Elektrolytisk applicering av metaller
273
13. NÄR OLYCKAN VARIT FRAMME ___________________________ 277
- fastställande och reparation av korrosionsskador i rostfri utrustning
13.1
Fastställande av orsaken till korrosionsangreppet
13.2
När ska man reparera korrosionsskador?
278
13.3
Korrosionsskador, allmän korrosion
279
13.3.1 Reparation av korrosionsskador, allmän korrosion
280
13.4
13.5
13.6
13.7
277
Korrosionsskador, punktfrätning
281
13.4.1 Reparation av korrosionsskador, punktfrätning
284
Korrosionsskador, spaltkorrosion
286
13.5.1 Reparation av korrosionsskador, spaltkorrosion
287
Korrosionsskador, spänningskorrosion
288
13.6.1 Reparation av korrosionsskador, spänningskorrosion
290
Korrosionsskador, interkristallin korrosion
291
13.7.1
292
Reparation av korrosionsskador, interkristallin korrosion
14. KONTROLL _________________________________________________295
14.1
14.2
14.3
Materialkontroll
295
14.1.1 PMI
295
14.1.2 Molybdentest
299
Kontroll av förarbete; optiska metoder
300
14.2.1 Visuell inspektion och endoskopi
300
14.2.2 Kapillär- och penetrantprov
302
Kontroll av förarbete; elektriska och radiograﬁska metoder
304
ORDLISTA_____________________________________________________307
SVENSK-ENGELSK ORDBOK ____________________________________ 317
ENGELSK-SVENSK ORDBOK ____________________________________ 319
REFERENSER __________________________________________________323
FIGURLISTA ___________________________________________________327
TABELLISTA ___________________________________________________333
INDEX ________________________________________________________335
FÖRFATTAREN ________________________________________________357
INLEDNING
Rostfritt stål är en stor grupp av passiverbara legeringar, som samtliga har det
gemensamt att huvudämnet är järn (Fe), och att de innehåller min. 10,5 %
krom (Cr) och max. 1,2 % kol. Även om krom (Cr) i själva verket är mindre
ädelt än järn, gör de min. 10,5 % Cr . att stålet går från att vara en normal,
aktiv legering som passar in i spänningsintervallet, till att vara en eﬀektiv
passiverbar legering med avsevärt bättre korrosionsegenskaper.
Rostfritt stål
är ett idealiskt
material
för kritiska
tillämpningar
Det är just passiviteten som gör rostfritt stål till ett så härligt material!
Kombinationen av god korrosionsbeständighet, rimligt pris, attraktivt
utseende och stora bearbetningsmöjligheter har sedan länge gjort rostfritt
stål till den mest använda materialgruppen inom alla möjliga "kritiska"
tillämpningsområden. Rostfritt stål är en global fullträﬀ och det är inte någon
tillfällighet att just rostfritt stål är extremt populärt på mejerier, slakterier,
inom läkemedelsindustrin, kemisektorn, hushåll, raffinaderier, byggnader
och formgivning. Kort sagt, överallt där man är ute efter ett attraktivt, blankt
utseende kombinerat med god korrosionsbeständighet och enkel rengöring.
Rostfritt stål torde vara det närmaste man kan komma ett korrosionsbeständigt
universalmaterial för allt från brevlådor till gigantiska byggnader.
Figur 0.1:
Atomium är Bryssels landmärke och detta visar järnatomens kubiskt
rumscentrerade struktur (BCC). Konstverket är 105 meter högt och gjordes
ursprungligen i aluminium för Världsutställningen 1958. 2005 ändrades
beklädnaden till syrafast 4404 (1,2 mm plåt) från Aperam. Foto: Thomas
Pauly, Euro-Inox [11].
1
Rostfritt stål och korrosion
Global
produktion av
rostfritt stål
Den fantastiska potentialen hos rostfritt stål framgår av såväl produktion
som förbrukning. Världsproduktionen (mätt i smält stål) låg under 2001
på 19,2 miljoner ton, och under 2006 var den uppe i hela 28,4 miljoner
ton. Den globala nedgången under 2008-2009 bromsade förvisso upp
både förbrukning och produktion, och siﬀrorna för 2007, 2008 och
2009 låg på 27,6, 25,9 respektive 24,6 miljoner ton [6]. Under 2010 steg
emellertid produktionen igen. Bara under de första tre kvartalen 2010
låg produktionen på drygt 23 miljoner ton totalt, så det råder inget tvivel
om att rostfritt stål är och förblir framtidens material.
Medan världsproduktionen alltså stigit långsamt under de senaste
10 åren har det rörts om i grytan vad gäller länderna som producerar
rostfritt stål. 2001 stod Västeuropa för 8,21 miljoner ton, medan
amerikanska kontinenten (dvs. världen väster om Atlanten!) och Asien
producerade 2,29 och 8,40 miljoner ton. Under 2009 låg motsvarande
tal på 6,44, 1,96 och Asien ( ex-Kina) 7,13 miljoner ton, medan Kina
ensamt producerade 8,81 miljoner ton. Asiens produktion uppgick till
totalt 15,94 miljoner ton. Även den rostfria världen pekar mot öst och
det ﬁnns inte många tecken på att denna utveckling kommer att upphöra
inom det närmaste.
Figur 0.2:
Rostfritt stål är
bara "rosttrögt"
2
Produktionen av rördelar har på senare år i det närmaste exploderat i
Kina. Både 45° mejeriböjen (vänster) och T-röret (höger) är tillverkade
i just Kina. Foto: Kenneth Stig Mortensen, Damstahl a/s.
Dessvärre är inte ens rostfritt stål 100 % säkert. Trots att namnet
förpliktar är stålet nämligen långt ifrån rostfritt i alla lägen. Rostfritt
stål är bara "rosttrögt" och ska behandlas med omsorg för att man ska
få ut det bästa av det. Rostfritt stål påminner därigenom mycket om
en bra bil, för även om en sprillans ny Rolls Royce har massor av ﬁna
egenskaper, är den fortfarande inte immun mot skador. Det påverkar
livslängden avsevärt om man behandlar den på korrekt sätt och så är
fallet med de ﬂesta metaller och legeringar. De ska behandlas korrekt.
Inledning
Detta gäller även rostfritt stål. Man ska välja rätt stål till rätt ändamål. Man
ska tillämpa rätt metod för sammanfogning och använda rätt mekanisk och
kemisk efterbehandling. Och även om allt detta är uppfyllt ska användaren
av utrustningen försäkra sig om att stålet inte utsätts för något det inte tål.
Annars kan stålet lätt påverkas och bli betydligt mindre rostfritt än vad
som var tänkt.
Rostfritt stål är
ett antingeneller-material.
För dem som är vana vid att arbeta med låglegerat, svart stål kan övergången
till rostfritt bli lite av en kulturchock. Användningen av svart och galvaniserat
stål innebär oftast en "kalkylerad risk" i det att utrustningen sakta men säkert
bryts ned av korrosion och man kan beräkna livslängden om man känner
till korrosionshastigheten. Rostfritt stål är däremot i mycket högre grad ett
"antingen-eller-material". Går allt som det ska har utrustningen en i princip
oändlig livslängd. Eller så går det snett och livslängden blir mycket, mycket kort.
Detta antingen-eller-beteende gör också att konsekvenserna av felaktig
hantering blir mycket större för rostfritt stål än för svart eller galvaniserat
stål. Gör man fel med en galvaniserad konstruktion kan detta innebära
en minskning av livslängden från 20 till 15 år medan ett fel i en rostfri
konstruktion kan reducera livslängden från oändlig till några få månader.
Rostfritt stål är ett mer nyckfullt material än galvaniserat eller svart stål
och kraven på de olika leden i kedjan blir motsvarande större.
För att få ut så mycket som möjligt av rostfritt stål är det därför en stor fördel
att veta något om det material man ska arbeta med. Ex.
• Varför är syrafast stål bättre än vanligt rostfritt stål?
• Finns det stål som är mer korrosionsbeständiga än de syrafasta?
• Varför får det inte ﬁnnas några blåaktiga anlöpningar kring
svetsarna?
• Varför är rotfel och bindningsfel allvarliga, korrosionsmässiga
svagheter?
• Varför är det inte lyckat med påväxt?
• Varför är vanligt havssalt så otroligt frätande?
• Varför uppkommer sprickor vid sidan av svetsarna i stället för mitt
i dem?
• Varför är det fördelaktigt att använda stål med lågt kolinnehåll?
• Varför är järnsmitta inte bara kosmetiskt olämpligt?
• Varför är grovslipning värre än ﬁnslipning?
• Vad innebär en betning och varför bör man beta efter
svetsprocessen?
3
Rostfritt stål och korrosion
Figur 0.3:
Konstruktiv
lättja: Gör saker
och ting rätt
första gången
Med sina 828 meter fördelade på 162 våningar är Burj Khalifa i
Dubai världens högsta byggnad och samtidigt en av planetens mest
imponerande konstruktioner. På grund av risken för saltvattenangrepp
är stora delar av byggnaden gjord av syrafast, rostfritt stål av typen 4404.
Rostfritt stål är en hel vetenskap som ger upphov till en massa frågor.
Ju mer man vet om materialet man arbetar med, desto lättare är det att
undvika allvarliga misstag och desto lättare är det att få nöjda kunder.
Konstruktiv lättja är att göra saker rätt första gången och de följande
kapitlen kan mycket väl vara ett stort steg i den riktningen.
Nästan alla böcker som skrivits om ämnena rostfritt stål och/eller korrosion
riktar sig till färdiga ingenjörer eller ingenjörsstudenter. Däremot kan det
vara svårt att hitta något läsbart för mer praktiskt inriktade hantverkare.
För att råda bot på detta har författaren försökt att undvika för många,
långa formler och i stället kryddat texten rikligt med en syndaﬂod av mer
eller mindre dekorativa korrosionsskador. Dessa korrosionsexempel är ett
utmärkt sätt att lära sig av andras tidigare misstag.
4
Inledning
Rostfritt och
rostfast
Innan vi går vidare med rostfritt stål ska vi bara säga några ord om
benämningar. Huruvida man ska kalla vårt huvudämne, rostfritt stål, för
rostfritt eller rostfast tycks mest vara en geograﬁsk frågeställning. Öster om
Stora Bält kallas stålet rostfritt, och detsamma gäller merparten av Fyn och
stora delar av Jylland. Men så snart vi rör oss norröver, börjar stålet kallas
rostfast. Om det ska heta rostfritt eller rostfast överlåter redaktionen till de
teoretiskt bevandrade att avgöra. Men för att vi inte ska jonglera med allt
för många termer har vi valt att hålla oss till benämningen rostfri. Vi ber om
ursäkt till Nordjylland och andra "rostfasta" regioner i Danmark.
För de ﬂesta smeder och ingenjörer är det så att rostfritt stål är mer eller
mindre synonymt med ”typ 304” eller ”syrafast typ 316”. Båda namnen är
hämtade från det gamla men osedvanligt seglivade AISI-systemet som inte
kan anses vara i fas med verkligheten. Det är lite som att fortfarande beskriva
en moped som en "cykel med hjälpmotor" för AISI har inte klassiﬁcerat
några nya ståltyper sedan 1960-talet. Att så många i branschen fortfarande
använder sig av AISI-beteckningarna är i bästa fall lite gammaldags och i
sämsta fall rent missvisande.
I stället för AISI-numren använder redaktionen därför som regel de
europeiska EN-numren som på sin tid byggde på de gamla, tyska Werkstoﬀ
Numre, W.-Nr. Ett rostfritt stål klassiﬁcerat enligt EN-systemet hade t.ex.
benämningen EN 1.4301, men för enkelhetens skull har vi i de ﬂesta fall
utelämnat ”EN 1” och nöjt oss med att kalla stålet ”4301”. För de läsare som
saknar någon form av "översättning" mellan EN och de klassiska AISInumren ﬁnns hjälp att tillgå i Tabell 8.3 sida 153.
5
KAPITEL 6
ROSTFRITT STÅLS
KORROSIONSEGENSKAPER
Rostfritt stål är i princip det perfekta materialet för s k kritiska
användningsområden, men i likhet med andra perfekta material har det
sina begränsningar. Det går inte att utsätta stålet för vad som helst utan
att det får konsekvenser och i de allra ﬂesta fall ligger begränsningen i
korrosionsbeständigheten. Rostfritt stål är dessvärre inte alltid så rostfritt
som namnet lovar.
Repassivering
av kromoxider
Det rostfria stålets normalt goda korrosionsbeständighet åstadkoms med en
ultratunn oxidﬁlm av framför allt krom och järn. Denna ﬁlm är bara några få
nanometer tjock men är ändå såpass tät och stark att stålet eﬀektivt "isoleras"
från den omgivande miljön, lite som ett ultratunt färgskikt. Skulle det, mot
alla odds, hända att det går hål på den skyddande oxidﬁlmen återskapas
den snabbt av sig själv och stålet återfår sitt skydd. Denna mekanism kallas
repassivering.
Tyvärr är detta inte alltid fallet. I olyckliga fall kan oxidﬁlmen brytas ned,
utan att den återbildas och med allvarliga korrosionsangrepp som följd.
När korrosionen väl satt in kan genomfrätningen ske mycket snabbt och
användningen av rostfritt stål kan ge upphov till en "antingen-eller-situation"
där skillnaderna mellan de båda ytterligheterna kan vara aldrig så små. Om
man kan hindra korrosionen från att överhuvudtaget starta har man ett
material som i princip håller i evigheter. Om inte, blir korrosionsförloppet
mycket snabbt och utrustningens livslängd kan bli ohyggligt kort. Rostfritt
stål är bara villkorligt rostfritt., alltså rostfritt under vissa villkor. Beroende på
ståltyp och miljö kan rostfritt stål bli angripet av en uppsjö av mer eller
mindre ödesdigra korrosionsformer.
Allmän korrosion
Interkrystallin
korrosion
Spaltkorrosion
Punktfrätning (pitting)
Spänningskorrosion
Figur 6.1:
Rostfritt stål är bara "villkorligt rostfritt""så beroende på stålkvalitet och
miljö kan en rad korrosionsolyckor lura bakom hörnet. Punktfrätning
och spaltkorrosion är båda relativt vanliga och går ofta under den
gemensamma benämningen ”lokalkorrosion”.
73
Rostfritt stål och korrosion
6.1
Allmän
korrosion ger
enhetlig korrosionsförlust
över hela ytan
Allmän korrosion
Allmän korrosion kallas även syrakorrosion, då det är en korrosionstyp
som oftast ﬁnns i mycket sura, men även i mycket alkaliska medier. Till
skillnad från de fyra övriga rostfria korrosionsformerna kännetecknas
allmän korrosion av att det inträﬀar anod- respektive katodreaktioner
över hela ytan. Detta innebär att hela ytan är aktiverad och därmed blir
korrosionsangreppet ganska jämnt.
Figur 6.2:
Rostfri bult (4301) efter en längre tid i stark betningssyra (salpetersyraﬂussyra). Observera att korrosionsangreppet är enhetligt och att
materialförlusten är ganska stor.
Allmän korrosion är den enda av de fem korrosionsformerna där stålet
inte uppför sig som en ﬁskelina. Detta beror på att det skyddande
oxidskiktet bryts ned ganska jämnt vilket ger en enhetlig materialförlust.
Medan korrosionshastigheten uttryckt i gram per kvadratmeter kan bli
ganska stor är korrosionshastigheten mätt i mm per år ofta ganska låg.
Tiden till genomfrätning är därför ofta också lång..
För icke-passiverande metaller och legeringar är allmän korrosion den
vanligaste typen av korrosion, men för passiverbara legeringar är den
ganska sällsynt. Detta beror på att en total aktivering av ytan bara
sker i extrema medier. Allmän korrosion är därför en mycket ovanlig
korrosionsform för rostfritt stål och det är bara ytterst sällan som det är
den här typen av korrosion som avgör livslängden för materialet.
Allmän
korrosion i
starka syror
eller baser
74
Allmän korrosion uppstår som tidigare nämnts i mycket sura eller (mer
sällan) i starkt alkaliska medier. Typiska medier är svavelsyra, fosforsyra och
liknande medan man på den alkaliska sidan kan riskera allmän korrosion
i mycket stark och oftast varm natriumhydroxid, kaliumhydroxid och
liknande.
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
Allmän
korrosion i
saltsmältor
Risk för allmän korrosion föreligger också om rostfritt stål utsätts för smälta
salter. Precis som i starka syror kan ﬂytande klorid- och ﬂuorhaltiga salter
(t ex ﬂussmedel för lödning, temperaturer på normalt > 400 °C) medföra en
total nedbrytning av det rostfria stålets naturliga, skyddande oxidskikt och
resultatet är snabb allmän korrosion. Allmän korrosion i alkaliska medier
eller saltsmältor är dock sällsynta och därför kommer vi att koncentrera
oss på starka, vattenlösliga syror. Ett typiskt exempel på allmän korrosion
i rostfritt stål i en saltsmälta återﬁnns i Figur 6.6.
Även i starka syror kan rostfritt stål uppnå en viss grad av passivitet. Det är
i praktiken stor skillnad på en syra som bara tunnar ut det passiva skiktet
utan att upplösa det helt, och en syra som gnager bort hela passiva skiktet
för att snabbt gå vidare till det underliggande stålet. Relativt svaga och
rena syror (som t ex citronsyra, ättiksyra eller myrsyra) förtunnar bara det
naturliga oxidskiktet något. Oxidskiktet återbildas med samma hastighet
och korrosionsförlusten är minimal, i vart fall om syrorna är rena. Om det
ﬁnns aggressiva joner i syran (särskilt klorid) kan situationen förvärras
avsevärt, speciellt vid högre temperaturer.
6.1.1
Isokorrosionsdiagram
Hur korrosiv en viss syra är för olika rostfria ståltyper går att avläsa i ett s
k isokorrosionsdiagram. Ett isokorrosionsdiagram består av en uppsättning
kurvor med syrans koncentration på x-axeln och temperaturen på y-axeln.
Varje kurva visar de betingelser som ska till för en materialförlust på exakt
0,1 mm stål per år. Över kurvorna är betingelserna mer korrosiva än 0,1 mm
per år, medan man under kurvorna har mildare betingelser. Ett exempel på
isokorrosionsdiagram för olika rostfria stålkvaliteter i svavelsyra återﬁnns
i Figur 6.3.
Isokorrosionsdiagrammen visar
kombinationer
av metaller och
miljöer med
samma korrosionshastighet
Korrosionshastigheten för en given kombination av rostfritt stål, syra och
temperatur bestäms för övrigt genom enkla viktförlustprov. Man tar en plåt
med bestämd yta och bestämd vikt. Efter en bestämd tid i syran väger man
materialet igen för att kunna beräkna hur mycket metall som frätts bort. Den
här metoden kan bara användas vid korrosionsprov där materialförlusten
är helt, eller nästan, homogen såsom vid allmän korrosion. För alla andra
korrosionsformer är viktförlust ett olämpligt sätt att mäta korrosion på.
75
Temperatur [°C]
Rostfritt stål och korrosion
120
100
4307: 0,2-0,5% CrO3
80
4436
60
4539
40
4436
4547
4307
4307
20
0
Figur 6.3:
Korrosionskurvor gör
det möjligt
att beräkna
korrosionshastigheter.
76
20
40
60
80
100
H2SO4 [vikt %]
Isokorrosionsdiagram för olika typer av rostfritt stål i luftad
svavelsyra. Kurvorna för de enskilda stålen visar vilka betingelser
som ska till för att avlägsna 0,1 mm stål per år. Över kurvorna
är korrosionsförlusten större än 0,1 mm/år, under är den mindre.
Den svarta streckade linjen anger syrans kokpunkt medan den blå
streckade linjen visar stål 4307 i svavelsyra som tillsatts 0,2-0,5 %
CrO 3 som inhibitor. Både högre och lägre innehåll av CrO 3 ökar
korrosionshastigheten. Redigerat enligt [5].
En bra, men långt ifrån allmängiltig tumregel, säger att vid 10 °Cs ökning
av temperaturen uppnås en fördubbling av korrosionshastigheten. På
samma sätt medför en temperaturminskning på 10 °C en halvering av
korrosionshastigheten. Observera att oavsett hur låg temperaturen blir
når korrosionshastigheten aldrig ner till 0 mm/år. Till skillnad från alla
andra korrosionsformer blir allmän korrosion aldrig helt obeﬁntlig. Det
kommer alltid att ﬁnnas en mikroskopisk korrosionsförlust även vid
temperaturer omkring fryspunkten.
Det faktum att man kan beräkna den förväntade korrosionsförlusten
gör också att man kan uppskatta livslängden för ett rörsystem. Med en
korrosionsförlust på t ex 0,1 mm/år kan man med ett korrosionstillägg
på 2 mm räkna med en livslängd på 20 år. Isokorrosionsdiagram för
olika rostfria ståltyper i en mängd vanliga och ovanliga syror och
kemikalieblandningar återﬁnns i Sandviks Korrosionsatlas [5].
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
6.1.2
Miljöfaktorer i syror
Risken för allmän korrosion av rostfritt stål i syror beror normalt på:
• Syrans typ och koncentration (surhetsgrad, pH)
• Syrans oxidationsförmåga
• Temperatur
• Typ och koncentration av orenheter
Som regel:
Ju högre syrakoncentration,
desto värre
Vad gäller syrans koncentration är det inte fullt så glasklart som man kan
tänka sig. För de ﬂesta syror är det så att högre koncentration gör syran mer
korrosiv men vid mycket koncentrerade syror, t ex > 90 % svavelsyra (H2SO4)
ﬁnns det helt enkelt inte tillräckligt med vatten för att syran ska fungera
fullt ut som syra och vattnet blir därmed den begränsande faktorn. Detta
gäller dock bara för svavelsyra; för nästan alla andra syror gäller den gyllene
regeln: Ju högre koncentration, desto värre.
För alla icke-passiverande legeringar är det normalt så att ju aktivare
katodreaktionen är (se Kapitel 5) desto sämre går det, men så är inte alltid
fallet för passiverbara legeringar. För att passiverande kromoxider ska bildas
krävs en viss oxiderande påverkan och upp till en viss gräns är det därför
så att rostfritt stål klarar sig bättre i oxiderande syror än i icke-oxiderande.
Oxiderande och
icke oxiderande
syror
Denna eﬀekt illustreras i Figur 5.8 sida 64 där de starka, icke-oxiderande
syrorna (svavelsyra, fosforsyra, och liknande) som regel får stålet att hamna
i det gula ”aktiva området” med hög korrosionshastighet som följd. Däremot
får en oxiderande syra som t ex ren salpetersyra eller perättiksyra stålet
att hoppa upp i det gröna ”passiva området” där korrosionshastigheten är
mycket lägre trots den högre potentialen (därmed också teoretiskt sett större
drivkraft). Korrosionshastigheten styrs inte bara av energin utan minst lika
mycket av kinetiken.
Den här eﬀekten är tydlig för rostfritt stål i svavelsyra (se Figur 6.3) där
även små mängder av starkt oxiderande kromsyra, CrO3, verkar kraftigt
inhiberande på korrosionen av 4307-stål. Detta framgår av kurvans höga
placering i förhållande till ren svavelsyra. Ökas koncentrationen av CrO3
utöver de angivna 0,2-0,5 % faller kurvan igen som tecken på "överdosering".
Andra oxidanter som väteperoxid (hydrogenperoxid, H 2 O 2) har samma
gynnsamma eﬀekt och kan därför användas som korrosionsinhibitorer
i just svavelsyra. Just peroxidinhiberad svavelsyra används ofta som
ersättning för salpetersyra i tillämpningar där rester av nitrater (NO3–)
av olika anledningar inte är önskvärda, till exempel vid rengöring av
mjölktankar.
77
Rostfritt stål och korrosion
Anodiskt skydd
p. g. a. koppar
Temperaturen
är farlig
Även stålets sammansättning kan påverka mediets oxidationsförmåga.
1-2 % koppar i stålet katalyserar eﬀektivt den katodiska vätereaktionen
och förflyttar därmed korrosionspotentialen från det låga, aktiva
till det högre passiva området. Korrosionspotentialen blir högre
men p. g. a. passiveffekten blir korrosionsströmmen (och därmed
korrosionshastigheten) betydligt lägre. Denna eﬀekt gör att kopparlegerat,
rostfritt stål är klart bättre i reducerande syror än motsvarigheter utan
koppar. Metoden kallas anodiskt skydd och känns igen från exempelvis
austenitiska 904L (EN 1.4539) och Sanicro 28 (UNS N08028) samt
superduplext Ferralium 255 (UNS S32250) som alla är särskilt eﬀektiva i
reducerande syror som fosforsyra och svavelsyra.
Temperaturen är en mycket viktig faktor som dock ofta underskattas.
Temperaturen inverkar endast negativt och helt generellt är det så att ju
högre temperatur, desto högre korrosionshastighet, oavsett typ av syra, typ
av stål eller lufttryck över Azorerna. Samtliga korrosionsformer påverkas av
temperaturen och ju högre temperaturen är desto sämre går det.
Temperatur [°C]
Den sista faktorn, orenheter, kan kanske överraska men rostfritt
stål tillhör ju gruppen av passiverbara legeringar och därmed är
korrosionsbeständigheten helt avhängig det passiva skiktets tillstånd.
Varje ämne som påverkar det passiva skiktet påverkar därför också
korrosionsbeständigheten. Speciellt joner som klorid (Cl–), ﬂuorid (F–)
och andra halogenider bryter ned stålets skyddande oxidskikt och ökar
därmed korrosionshastigheten markant.
120
100
4563
80
60
4410
40
4436
20
0
Figur 6.4:
4547
4539
2
4
6
HCl [vikt %]
Isokorrosionskurvor (0,1 mm/år) för olika typer av rostfritt stål i
saltsyra HCI). Redigerat enligt [5].
Av dessa är klorid den klart största boven, vilket framgår tydligt av
Figur 6.4 saltsyra (väteklorid, HCl). Jämför man med Figur 6.3 ser man att
så lite som 2 % saltsyra vid 40 °C är långt mer korrosivt mot alla rostfria
ståltyper än en 20 %-ig svavelsyra vid samma temperatur. Detta beror på
78
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
kloridets tråkiga tendens att avlägsna oxidskiktet från stålet och därefter
angripa själva stålet. Genom att tillsätta klorid till en annars relativt oskadlig
syra får man alltså utspädd saltsyra, som är betydligt mer korrosiv mot stålet
än den rena, kloridfria syran.
Orenheter i
syror är farliga
Med en syra som fosforsyra kommer orenheterna ofta med råvarorna (råfosfat)
och orena ”tekniska” kvaliteter är därför mer korrosiva än motsvarande analysren
syra. Klorid kan emellertid också komma från vatten varför man i praktiken
också ska vara mycket försiktig med vad man späder sin syra med. Danskt
vattenledningsvatten kan innehålla uppemot 250 mg/l klorid och vatten från
enskilda brunnar mycket mer, särskilt i lågt liggande, kustnära områden som
t ex Lolland och Falster. Även till synes små mängder klorid från vattnet kan
annars få tämligen oskadliga syror att bli oerhört korrosiva och en syra som
spätts ut med vattenledningsvatten är därför mer korrosiv än om motsvarande
syra spätts ut med demineraliserat vatten. Vad gäller rostfritt stål bör alla syror
spädas med demineraliserat vatten så långt detta är möjligt.
6.1.3
Legeringstillsatsernas eﬀekt på allmän korrosion
När man tittar på ordningsföljden för de olika kurvorna i Figur 6.3 och
Figur 6.4, kan man konstatera att 4301 konsekvent ligger lägst på grund
av att det har minst beständighet. Därefter följer 4436 (≈ AISI 316 med
2,5-3,0 % Mo, se Kapitel 8) och ännu högre ligger det duplexa 4462 och
austenitiska 4539 och 4547. De olika rostfria ståltyperna är således inte
lika beständiga mot allmän korrosion vilket hänger ihop med skillnaderna
i stålens legeringssammansättning.
De tillsatser som har störst positiv eﬀekt på beständigheten mot allmän
korrosion är följande:
• Krom (Cr)
• Molybden, (Mo)
• Nickel, (Ni)
• Koppar (Cu) i icke-oxiderande syror
Allmän korrosion innebär ju en enhetlig aktivering av hela ytan och kromets
eﬀekt är därför som regel något mindre än när det gäller att underhålla det
perfekta passiva skiktet. Detta gäller i synnerhet för icke-oxiderande syror
medan Cr är särskilt välgörande för beständigheten i den starkt oxiderande
salpetersyran. Detta har den lite udda eﬀekten att ”vanligt rostfritt stål” i
4301/07-klassen faktiskt håller något bättre än "syrafast" stål i ren, stark
salpetersyra. Här hjälper Mo inte nämnvärt. Däremot inverkar det positivt
att 4307 innehåller 1 % mer Cr än 4404.
79
Rostfritt stål och korrosion
När vi talar om punktfrätning (se Avsnitt 6.3) verkar Cr och Mo
någorlunda likartat (med en faktor 3,3 i skillnad) men detta är som
sagt inte fallet vid allmän korrosion. I de icke-oxiderande (reducerande)
syrorna är Mo dock avsevärt bättre än Cr på att passivera vilket innebär
att en högre Mo-halt i stålet ger bättre korrosionsbeständighet.
Nickel (Ni) är också mycket bra mot allmän korrosion. Ni är helt enkelt
en ädlare metall än både Cr och Fe och tack vare det korroderar den
långsammare, så ju mer Ni i stålet, desto bättre. Betydelsen av både Ni
och Mo framgår tydligt avFigur 6.3, där syrafast 4436 klarar sig betydligt
bättre än vanligt 4301 i svavelsyra.
Austeniter bäst
i starka syror
Nickelns eﬀekt mot allmän korrosion fördubblas genom att stålets
struktur också har en viss betydelse. Normalt är det så att den
nickelhaltiga, helaustenitiska fasen är mer beständig i starka syror än
de nickelfattiga ferritiska och martensitiska faserna. Exempel på detta
kan ses på svetsade rör, där både längdsvetsning och rundsvetsning
innehåller få procent ferrit för att hindra värmesprickor under svetsning.
Nackdelen är att ferritfasen är svagare i starka syror, vilket bl a märks
på de mörkfärgade svetsarna i ämnena i Figur 4.4 sida 46 och Figur 6.5.
Att koppar inverkar positivt beror på att rostfritt stål mår bättre i
oxiderande än i icke-oxiderande (reducerande) syror. Koppar (Cu) verkar
kraftigt accelererande på den katodiska väteutvecklingen (Ekv. 5.5) vilket
har den gynnsamma eﬀekten att stålet nästan på egen hand gör syran
mer oxiderande. Därmed ﬂyttas korrosionspåverkan från ren, ickeoxiderande svavelsyra i riktningen mot en mer oxiderande men mindre
korrosiv syra som t ex salpetersyra och stålet går från det kritiska aktiva
tillståndet till det passiva (se Figur 5.8 sida 64). Denna smarta eﬀekt kan
nyttjas kommersiellt och höglegerade, rostfria austeniter som 904L (4539,
UNS N08904) och Sanicro 28 (4563, UNS N08028), samt det superduplexa
Ferralium 255 (4501, UNS S32760), har alla tillförts små mängder koppar
med utgångspunkt från beständigheten för svavelsyra, fosforsyra och
liknande.
Orenheter
i stålet är
kritiska
Nitric Acid
Grade och
automatstål
80
Det bör också nämnas att orenheter och främmande faser i stålet har stor
negativ inverkan. Varje främmande fas är en möjlig angreppspunkt och
detta är anledningen till att man i Tyskland använder en särskild variant
av 4307, en "Nitric Acid Grade" som är speciellt avsedd för salpetersyra.
Den här typen innehåller en mycket låg nivå av orenheter och andra
icke-metalliska faser, vilket gynnar korrosionsbeständigheten.
En klassiker är tillsatsen av 0,15-0,35 % svavel (S) i rostfritt automatstål
(EN 1.4305) för att göra stålet kortspånande. Detta är dock ytterst skadligt
för samtliga korrosionsformer - även allmän korrosion. Detta blir tydligt
om man försöker att beta automatstål. Medan allmänt rostfritt stål etsas
relativt jämnt, upplever man vid automatstål en kraftigt ökad korrosion
i de spånavskiljande mangansulﬁderna. Ett exempel på detta är Figur 4.4
sida 46.
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
Figur 6.5:
6.1.4
Allmän korrosion i rostfri schackel (4301) efter en längre tid i salpetersyraﬂussyrabaserat betningsbad. Notera att hela ämnet är etsat men att
ändpartierna på stångstålet inklusive svetsarna är något hårdare
angripna än resten.
Allmän korrosion i starkt alkaliska medier
Allmän korrosion är i de ﬂesta fall något som uppträder i mycket sura medier så
det kan komma som en överraskning för många att det även kan ske i mycket
alkaliska medier. I just de starkt alkaliska medierna kan många metallsalter
(inkl. oxider) upplösas som komplexjoner och detta påverkar av naturliga skäl
det passiva skiktet i negativ riktning. Detta ser man ofta prov på hos metaller
som aluminium och zink som båda korroderar kraftigt i starka baser men
även rostfritt stål kan korrodera vid extremt högt pH-värde.
Starka baser
är sällan ett
problem hos
austenitiska stål
Analogt med de sura förhållandena sker det i extrema baser en homogen
förtunning av oxidskiktet med homogen korrosion av det rostfria stålet som
resultat. Turligt nog är denna svaga, allmänna korrosion sällan något som
påverkar stålets livslängd nämnvärt. Även vid 30 % natriumhydroxid, NaOH,
vid 100 °C ligger korrosionsförlusten för både 4301 och 4401 på omkring
0,1 mm/år, medan förlusten vid mildare förhållanden och i synnerhet lägre
temperaturer är något mindre. Ferritiska, rostfria stål är som regel mer
känsliga för allmän korrosion i alkaliska medier än de austenitiska.
81
Rostfritt stål och korrosion
Figur 6.6:
Smälta salter vid höga temperaturer kan ha samma effekt på
rostfritt stål som starka vattenlösliga syror. Denna 6 mm tjocka
bottenplatta från en ugn tillverkad i 4571 (316Ti) har på bara två
år blivit "tunnsliten" och genomfrätt p. g. a. kontakt med ett starkt
ﬂuorhaltigt ﬂussmedel för lödning av aluminium. Flussmedlet har
innehållit upp till 50 % ﬂuorid och temperaturen har varit ca. 550 °C.
Allmän korrosion i alkaliska medier är sällan ett problem men det ﬁnns
exempel på att den svaga men oundvikliga utsöndringen av metall kan
störa. I en starkt alkalisk miljö kommer metallerna oftast att bottenfälla
i form av hydroxider, vilket tekniskt sett inte har någon betydelse, men
om basen därefter ska användas i exempelvis medicinska tillämpningar
är detta inte godtagbart.
Lutsprödhet
och spänningskorrosion
Den största risken vid starkt alkaliska medier är faktiskt inte allmän
korrosion, utan lutsprödhet, en typ av spänningskorrosion, som ger upphov
till interkristallin sprickbildning och som kan orsaka genomfrätning på
ganska kort tid. Risken för detta hos austenitiska stål uppstår inte förrän
vid temperaturer över 140 °C.
6.1.5
Transpassivitet och vandrande strömmar
De ﬂesta allvarliga fall av allmän korrosion äger rum i det potentialområde
som elektrokemisterna kallar "det aktiva området" (se Figur 5.8 sida 64).
Detta sker normalt vid ganska låga potentialer medan allmän korrosion
sällan är något problem i det passiva området.
Emellertid kan potentialen tvingas upp så högt att stålet hamnar i det
transpassiva området. Detta sker nästan aldrig på rent kemisk väg men
kan inträﬀa om stålet utsätts för oavsiktlig, elektrisk påverkan till följd
av nära kontakt med kablar och ledningar. Sker detta kan stålet tvingas
upp på en extremt hög potential; stålets passiva skikt går in i anodisk
upplösning och korrosionen tar fart igen.
Ett bra exempel på transpassiv korrosion kan observeras på nedgrävda
rör som ligger för nära nedgrävda, elkablar. Kablarnas ström genererar
ett elektriskt fält som kan "polarisera" det rostfria stålet och därmed
putta upp det i det transpassiva området. Resultatet är allvarliga
korrosionsangrepp på ställen där det elektriska (ohmska) motståndet
i jorden mellan kabel och rostfritt rör är som minst - vanligen där
avståndet mellan rör och kabel är kortast.
82
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
Figur 6.7:
Genomfrätning i nedgrävt, rostfritt rör av kvaliteten 4404 p. g. a. för kort
avstånd till en nedgrävd strömförande kabel. Detta har förﬂyttat stålet
från det ideella passiva tillståndet till det "transpassiva" och korrosionen
har satt in. Observera avsaknaden av små korrosionsgropar.
Den här eﬀekten kallas ibland "vandrande strömmar" och den går att
förebygga om man ser till att det elektriska motståndet mellan kablar och
stålrör är tillräckligt stort. Antingen genom att undvika att lägga rör och
kablar för tätt eller genom att se till att vattenhalten i jorden är tillräckligt
låg samt att inga elektriskt ledande salter tillförs. Alternativt kan man införa
ett "mellanskikt" av t ex vanligt svart stål som kan fungera som "elektrisk
skärm" mellan den strömförande kabeln och det rostfria röret.
6.2
Punktfrätning
Punktfrätning (engelska: pitting corrosion) är raka motsatsen till allmän
korrosion. Medan allmän korrosion orsakar en jämn och homogen
nedbrytning av det skyddande oxidskiktet med påföljande homogen
korrosion, ger punktfrätning (=pitting) upphov till lokal nedbrytning av
oxidskiktet. Denna lokala nedbrytning får stålet att skapa en "intern
galvanisk koppling" (se Kapitel 5) där den lilla korroderande plätten fungerar
som anod, medan resten förblir inert katod.
"Fiskelinekorrosion”
Punktfrätning är det perfekta exemplet på en "antingen-eller"korrosionsform. Där allmän korrosion ger upphov till stor materialförlust
uttryckt i g/m2, orsakar punktfrätning däremot mycket liten materialförlust,
men med extremt snabb genomfrätning. Punktfrätning är ett levande
exempel på ”ﬁskelinekorrosion” (se Figur 5.12 sida 71), där det antingen går
utmärkt i en evighet eller där genomfrätning sker på allt för kort tid.
Om det blir allmän korrosion eller punktfrätning beror som regel på
surhetsgraden hos lösningen. Vid mycket lågt eller mycket högt pH-värde
83
Rostfritt stål och korrosion
Passivitet =
risk för lokala
korrosionsangrepp
sker en allmän aktivering av stålets yta och resultatet är allmän
korrosion som i det gula aktiva området i Figur 5.10 sida 69. I det stora,
breda området mellan ytterligheterna, vanligen från pH 2 till pH 12,
passiveras stålet i större eller mindre utsträckning (se Figur 5.10 sida 69, det
gröna passiva området), och så har vi risken för lokala korrosionsangrepp
som t ex punktfrätning. En illustration av skillnaden mellan den totala
aktiveringen vid allmän korrosion och den mycket lokala aktiveringen
vid punktfrätningen ﬁnns i Figur 6.8.
Allmän korrosion
Punktfrätning
A
B
C
Figur 6.8:
Illustration av skillnaderna mellan mekanismerna för allmän
korrosion och punktfrätning. Notera att allmän korrosion ger
betydligt störst materialförlust medan punktfrätning ger snabbast
genomfrätning.
Spaltkorrosion påminner mycket om punktfrätning med skillnaden att
spaltkorrosion äger rum på geometriskt svårtillgängliga ställen där allt
vätskeutbyte sker genom diﬀusion snarare än konvektion (omrörning).
Punktfrätning och spaltkorrosion går ofta under samlingsbegreppet
”lokalkorrosion”, men p. g. a. skillnaderna har spaltkorrosion tillägnats
ett eget avsnitt. Samtliga av följande punkter beträﬀande miljöfaktorer
och legeringstillsatser gäller emellertid för både punktfrätning och
spaltkorrosion.
84
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
Figur 6.9:
6.2.1
Punktfrätning i 0,5 mm tjock, rostfri 4301-plåt efter några dagars
nedsänkning i en blandning av salt (NaCl) och väteperoxid
(hydrogenperoxid, H 2O2 ). Medan 99 % av stålets yta inte påverkades
alls var fyra dagars korrosion tillräckligt för att orsaka genomfrätning.
Bilden till höger är ett mikroskopfoto av samma ämne.
Miljöfaktorer vid punktfrätning
Allmän korrosion är som vi tidigare nämnt en korrosionsform som alltid
pågår. Beroende på syrans art, pH, temperatur, orenheter, ståltyp m m, blir
korrosionsförloppet mer eller mindre snabbt eller långsamt, men aldrig helt
obeﬁntligt. Jämfört med allmän korrosion är punktfrätning mycket mer en
s k antingen-eller-korrosionsform. Antingen går det otroligt bra eller så går
det väldigt, väldigt snett. Det ﬁnns inget mellanting.
De miljöfaktorer som ökar risken för punktfrätning för ett speciﬁkt rostfritt
stål är som regel följande:
• Kloridkoncentration
• Temperatur
• Korrosionspotentialen (typ och koncentration av
oxidanter, katodreaktionen)
• pH (surhetsgraden)
Rent generellt ökar risken för punktfrätning med stigande kloridkoncentration,
stigande temperatur, stigande korrosionspotential (katodreaktionen) och
sjunkande pH (surare lösning).
6.2.2
Kritisk punktfrätningstemperatur (CPT)
Samspelet mellan främst kloridkoncentration och temperatur går att
mäta med hjälp av kritisk punktfrätningstemperatur (CPT). CPT är för ett
speciﬁkt stål i ett speciﬁkt medium (och vid fastlagd korrosionspotential)
den temperatur där punktfrätning sker och denna CPT mäts i praktiken
genom att man exponerar en stålelektrod för mediet i fråga. Temperaturen
ökas långsamt och stegvis. Temperaturen vid vilken punktfrätning sker
deﬁnieras som CPT.
85
CPT [°C]
Rostfritt stål och korrosion
4410, 4501,
4529, 4547
100
4362
4462
80
60
4460
40
Punktfrätning
20
4301/07
0
0,01
Figur 6.10:
CPT = kritisk
pittingtemp.
4401/04
“Säker”
0,02
0,05
0,1
0,2
0,5
1,0
2,0
Cl– [%]
Laboratoriemätningar av den kritiska punktfrätningstemperaturen
(CPT) för olika rostfria stål vid varierande kloridhalt. Försöken har
utförts under villkor som motsvarar " väl luftat vattenledningsvatten".
För varje stål har miljön varit konstant medan temperaturen ökats
tills punktfrätning inträﬀar [1, 5].
En sådan serie av CPT-mätningar för olika stålkvaliteter i olika medier
visas i Figur 6.10. Värt att notera här är att samtliga testade ståltyper
ger samma kurvform. Ju högre kloridhalt som ﬁnns i vattnet, desto lägre
CPT uppmäts och desto lägre temperatur kan man i praktiken tillåta
och tvärtom. Ju mindre klorid desto högre kan man gå upp i temperatur.
Detta illustrerar ganska väl att såväl stigande klorid som stigande
temperatur inverkar negativt på stålens korrosionsbeständighet, men om
man stramar åt den ena faktorn kan man tillåta sig större utsvävningar
på den andra.
Kurvor som dem i Figur 6.10 är alla utförda under villkor som
motsvarar ”väl luftat pH-neutralt vatten”. Väl luftat vatten svarar mot
en korrosionspotential på 300 mVSCE, där SCE står för ”Saturated Calomel
Electrode”, en referenselektrod som ligger 246 mV över den deﬁnierade
nollpunkten 0,000 mVSHE (se Kapitel 5). 300 mVSCE, motsvarar således
546 mVSHE .
CPT vs.
kloridhalt
86
Man kan använda den här typen av CPT-kurvor genom att göra ett
vägledande materialval. Kurvan för respektive stål markerar ett slags
gräns och under varje kurva går man tämligen säker för korrosion medan
man över kurvan löper stor risk för punktfrätning. Har man ett "normalt
oxiderande, pH-neutralt medium" med t ex 250 mg/l klorid (det högsta
i danskt vattenledningsvatten), kan man med hjälp av Figur 6.10 se att
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
vanligt 4301 bara står emot punktfrätning upp till ca. 50 °C. Ökas kloridet
till 500 mg/l, glider temperaturgränsen ned till 38 °C, och vid 2000 mg/l
(= 0,2 %) kan man bara tillåta 25 °C.
Tryckprovning
av rör
Ju större mängd klorid, desto sämre korrosionsbeständighet, en aspekt man
ska se upp med vid exempelvis tryckprovning av rörsystem. Det är möjligt
att stålet kan hålla bra i vanligt vattenledningsvatten med max. 250 mg/l
under själva tryckprovningen men vattenrester kan orsaka problem. Vattnet
avdunstar men det gör inte salterna och kloridhalten i vattenresterna
kan lätt bli mycket högre än de ursprungliga 250 mg/l. Detta är samma
avdunstningseﬀekt som genom årtusenden bildat Döda havet och vid ﬂera
tillfällen har genomfrätning skett p. g. a. avdunstning av tryckprovsvattnet
och för hög kloridhalt i vattenresterna. Korrosionen i botten av rör efter
tryckprovning är indikationer på sådana skador.
Figur 6.11:
Vattenrester från t ex tryckprovning av rörsystem kan leda till obehagliga
överraskningar. I takt med att vattnet avdunstar stiger salthalten och
villkoren blir gradvis mer korrosiva. Risken för bakteriell tillväxt gör inte
saken bättre.
AV CPT-kurvorna i Figur 6.10 framgår att mycket höga kloridhalter närmast
får kurvorna att löpa helt vågrätt, vilket är ett tecken på att det inte är så stor
skillnad mellan korrosionsförhållandena vid 1 % Cl– och 2 % Cl–. I den nedre
änden har en fördubbling av halten mycket större eﬀekt, vilket ju inte är så
konstigt. Vid en kloridhalt på över 1 % är det så många korrosionsfrämjande
ämnen i omlopp att lite extra varken gör till eller från.
Extrema
salthalter ger
låg syrelöslighet
I praktiken kan man notera en förmildrande omständighet vid ökad salthalt
i det att lösligheten av syre är lägre i starkare lösningar än i svaga. Detta
betyder ofta att en hög salthalt åtföljs av en lägre korrosionspotential, vilket
till och med kan förbättra korrosionsbeständigheten (se nedan i Avsnitt
6.2.3). Koncentrerade saltlösningar är således inte nödvändigtvis ett sämre
alternativ än utspädda eftersom kloridökningen kompenseras genom att
korrosionspotentialen (korrosionens drivkraft) sjunker.
Om det förekommer starka oxidanter (t ex peroxid eller hypoklorit)
spelar syrets lägre löslighetsgrad tyvärr inte någon roll och
korrosionsförhållandena blir klart värre vid högre kloridhalt. Att försöka
förbättra korrosionsförhållandena genom att öka salthalten är därför inte
att rekommendera.
87
Rostfritt stål och korrosion
6.2.3
Korrosionspotentialen och pH
Katodreaktionens korrosionspotentialen, som är den oxideringsförmåga
som verkar på stålet. Ju högre korrosionspotential, desto aktivare är
katodreaktionen som elektronslukare och desto lättare är det för stålet
att avge elektroner, eller med andra ord, att korrodera.
Figur 6.12 visar en serie CPT-försök med samma, syrafasta ståltyp
(4401/04) i samma medium fast med tre olika korrosionspotentialer.
Kurvan med 300 mVSCE motsvarar således 4401-kurvan från Figur 6.10
medan kurvorna för 200 och 400 mVSCE simulerar mindre respektive
mer oxiderande förhållanden.
CPT [°C]
CPT vs. oxidationsförmåga
100
300 mVSCE
80
200 mVSCE
60
40
400 mVSCE
20
0
0,01
0,02
0,05
0,1
0,2
0,5
1,0
2,0
Cl– [%]
Figur 6.12:
Den kritiska punktfrätningstemperaturen (CPT) för 4401/04stål utfört i identiska medier vid tre olika korrosionspotentialer.
300 mVSCE motsvarar det maximalt uppnåeliga för vanligt, luftat
vattenledningsvatten medan de +200 och +400 mVSCE indikerar
mindre oxiderande och mer oxiderande förhållanden [1, 5].
Notera att kurvan för 400 mVSCE ligger markant lägre än den för 300 mVSCE,
vilket innebär att det inte ska så mycket till för att hamna på fel sida av
kurvan. Omvänt ligger kurvan för 200 mVSCE markant högre som en
god indikation på att det nu krävs mer för att överskrida gränsen för
punktfrätning. 100 mV låter kanske inte så mycket, men det är det, i
elektrokemiska mått mätt (jfr. Tabell 5.1 sida 55 sidan), och den negativa
eﬀekten av en ökad korrosionspotential är i praktiken av stor betydelse.
Ju aktivare katodreaktion, desto högre korrosionspotential och desto
lägre korrosionsbeständighet för stålet.
88
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
1 mm
Figur 6.13:
Punktfrätning fotograferad med ett elektronmikroskop (SEM). Ämnet
kommer från samma försöksserie som det i Figur 6.9, alltså 4301 utsatt
för en kritisk blandning av salt och väteperoxid. Observera groparnas
lokala karaktär. Foto: Metallograf Laila Leth, MEK/DTU.
Väteperoxid är en kraftig oxidant och utmärkt elektronslukare, vilket bl a
framgår av placeringen i spänningsserien i Tabell 5.1 sida 55. Väteperoxid kan i
praktiken tvinga stålets korrosionspotential upp över +500 mVSCE (+746 mVSHE),
vilket är den direkta orsaken till att korrosionsprovet i Figur 6.9 resulterade
i genomfrätning på så kort tid.
Oxiderande
rengöringsmedel
Katodiskt
skydd av
rostfritt stål
Många rengöringsmedel innehåller starka oxidanter såsom perättiksyra,
persulfat, klor, hypoklorit eller den notoriska väteperoxiden som alla bidrar
till en kraftig accelerering av korrosionspotentialen. Kombinationen av
salthaltiga medier och rester från starkt oxiderande rengöringsmedel är rena
giftet för rostfritt stål och en vanlig orsak till allvarliga korrosionsskador
i mejerier, slakterier och andra miljöer som rengörs ofta och eﬀektivt.
Lösningen är att utföra rengöringen på kort tid (normalt 15-60 min.) för
att undvika långtidspåverkan så att korrosionen knappt hinner börja.
Motsatt, positiv effekt uppstår om man kopplar nedsänkta, rostfria
konstruktioner till svart eller galvaniserat stål. Precis som Figur 5.8 sida 64
och Figur 5.9 sida 65 är de ädlaste metallerna (rostfritt stål) skyddade medan
de minst ädla (svart/galvaniserat stål) utsätts för extra korrosionstryck.
Eftersom ytan av t ex armeringsjärn är mycket stor i förhållande till ytan av
rostfritt stål blir bidraget från den galvaniska kopplingen relativt lågt och
det rostfria stålet skyddas eﬀektivt utan stora konsekvenser för det svarta
armeringsjärnet. Tack vare sin breda och eﬀektiva passivzon (se Figur 5.10
sida 69) är rostfritt stål mycket väl lämpat för katodiskt skydd. I många fall
sker det helt omedvetet genom att t ex de rostfria trapporna i en simbassäng
skruvas fast i betongens armeringsjärn.
Den sista nyckelfaktorn är vattnets surhetsgrad, pH. I det stora neutrala
området har pH-värdet relativt liten eﬀekt på själva stålet men kan ändå
89
Rostfritt stål och korrosion
påverka korrosionsförhållandena ganska mycket. pH-värdet är ju ett
uttryck för koncentrationen (mer korrekt: aktiviteten) av vätejoner (H+)
i vattnet och ju lägre pH-värde, desto högre koncentration av H+. Varje
reaktion som innehåller H+ är därför kopplad till pH-värdet och här
kan vi notera att ﬂera av de relevanta katodreaktionerna i Tabell 5.1
sida 55 innehåller just H+. Såväl syrareaktion, syrereaktion, väteperoxid
som hypoklorit (som katodreaktioner) förbrukar H+ och alla reaktioner
accelererar därför vid stigande H+-halt, dvs. sjunkande pH-värde.
6.2.4
Alla mätningar
är gjorda under
"idealiska förutsättningar”
Orenheter, salter och andra okända faktorer
Utöver de miljöfaktorer som nämnts, kan en lång rad andra faktorer
påverka stålets beständighet mot punktfrätning och därmed CPTkurvornas läge. Det är värt att poängtera att alla laboratoriealstrade
CPT-kurvor i bästa fall är rosenröda skildringar av en något mer
komplex verklighet. Testerna är alla utförda med perfekt behandlade
laboratorieprover utan vare sig spalter, slipspår, svetsar, anlöpningar,
inneslutningar eller andra svagheter, varför resultaten från kurvorna är
att betrakta som bästa möjliga scenario. Det enda man kan vara helt säker
på är att verkligheten aldrig blir bättre än laboratoriedata och i praktiken
är det ofta mycket sämre (se Kapitel 10). CPT-kurvorna är därför alltid
att betrakta som vägledande och inte som absoluta sanningar.
Trots detta är CPT-kurvorna utmärkta verktyg när man ska visa hur i
synnerhet klorid och temperatur påverkar stålets korrosionsbeständighet,
men precis som när det gäller korrosionspotentialen (se Figur 6.12) kan
olika faktorer ﬂytta kurvorna uppåt eller nedåt och därmed påverka
stålets korrosionsbeständighet.
Föroreningar
i vattnet
90
Som illustreras i Figur 6.12 har oxiderande ämnen (oxidanter) generellt
sett negativ inverkan på stålets beständighet mot punktfrätning men även
ämnen som inte är elektrokemiskt aktiva kan påverka CPT-kurvornas läge
och därmed också de olika ståltypernas beständighet. En bra tumregel
i det här sammanhanget är att ämnen som varken verkar oxiderande
(som syre eller peroxid) eller nedbrytande på passivskiktet (klorid) oftast
inverkar positivt på korrosionsbeständigheten. ”Orenheter” som t ex sulfat
(SO42-) och fosfat (PO43-) är inte elektrokemiskt aktiva under normala
förhållanden och de går heller inte lös på stålets skyddande oxidskikt,
men precis som klorid kan de absorberas i stålets yta, vilket faktiskt
kan vara gynnsamt. Ju mer av ytan som upptas av korrosionsneutrala
joner, desto mindre plats för klorid och faktum är att sulfat som tillsatts
i samma molära mängd som klorid kan ge 10 °C extra i CPT. Sulfat
verkar därmed under normala förhållanden måttligt inhiberande på
korrosion men eﬀekten är inte helt säker. Det ﬁnns således exempel på
punktfrätning i helt kloridfria medier där mikrobiologisk aktivitet kan
utnyttja sulfat för att skapa en mindre gynnsam lokalmiljö.
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
100 μm
Figur 6.14:
Organiska
ämnen
inhiberar
korrosion
Mikrofoto av punktfrätning genom en 1 mm tjock plåt av ferritiskt,
rostfritt stål, typ 4512. Observera hur korrosionen angripit ett ställe rejält
medan resten av ytan lämnats orörd. Den korroderade delen har varit
aktiv medan resten av stålet förblivit passiv.
Ännu bättre inhibitionseﬀekt kan uppnås med organiska ämnen. Många
organiska ämnen som fettämnen, proteiner, glykol och liknande adsorberar
eﬀektivt till det rostfria stålet. Vatten som tillsätts i dess organiska ämnen är
mindre korrosivt än rent vatten utan organiska material. I praktiken ﬁnns det
otaliga exempel på att relativt låglegerat rostfritt stål (t ex 4301) har överlevt
värme och havsliknande förhållanden utan att råka ut för punktfrätning
helt enkelt p. g. a. mycket högt innehåll av organiska ämnen. Det är således
inte ovanligt att man kan klara sig med en kvalitet av rostfritt stål som
korrosionsmässigt är sämre (och som regel billigare!) än man kan räkna sig
fram till med hjälp av CPT-kurvorna.
Betydelsen av både organiska och oorganiska ämnen i vattnet kan
variera mycket och för komplexa medier rekommenderas ett regelrätt
korrosionstest för att fastställa den optimala ståltypen. Detta kan ske genom
accelererade korttidstester (t ex cyklisk polarisation, CYP, eller ovan nämnda
bestämmelser av den kritiska punktfrätningstemperaturen, CPT) eller mer
sällan som långtidsexponeringar. Det sist nämnda är nödvändigt om man
ska testa om spaltkorrosion förekommer eller om mikroorganismer är
inblandade. En beskrivning av de olika korrosionsproven är beskrivna i [1].
91
Rostfritt stål och korrosion
6.2.5
Legeringstillsatsernas eﬀekt mot punktfrätning
Tittar man på Figur 6.10 står det klart att inte alla ståltyper är lika
motståndskraftiga mot punktfrätning. Vissa stål är klart starkare än
andra och av erfarenhet är följande legeringsfaktorer viktigast:
• Krom (Cr)
• Molybden, (Mo)
• Kväve (nitrogen), N
• Orenheter, svavel (S), fosfor (P), o dyl
Cr, Mo och
N fungerar
alla mot
punktfrätning
Krom är vår huvudsakliga legeringstillsats och den bidrar starkt till
bildandet och bibehållandet av stålets passiverande Cr-oxidskikt. Rent
allmänt är det därför så att ju högre Cr-halt, desto bättre beständighet mot
punktfrätning. Ett stål med 18 % Cr kan jämföras med en ﬁskelina med
18 kg brottstyrka och den kommer alltid att vara starkare än en lina
med 17 kg brottstyrka (17 % Cr), som alltid kommer att vara bättre än
16, 15, 14 och 13 kg. Ju mer Cr, desto bättre, och den eﬀekten är helt klar.
Molybden bidrar också starkt till stålets passivering och eﬀekten är ännu
mer positiv än med Cr. Ju högre Mo, desto bättre, men de båda tillsatserna
är inte helt "parallella". Det ﬁnns vissa skillnader mellan Cr och Mo. Dels
verkar Mo kraftigare än Cr och dels bevarar den passiviteten bättre i sura
miljöer. Däremot är Mo mindre eﬀektiv än Cr i starkt oxiderande miljöer.
Kväve (nitrogen, N) verkar således positivt på stålets passivitet och precis
som Cr och Mo gäller tumregeln: Ju mer, desto bättre. Kväve är också
det enda passiverande ämnet som samtidigt är en austenitbildare, varför
man inte ska tillsätta extra nickel (Ni) för att behålla austenitstrukturen.
Nackdelen är att kväve, i likhet med andra gaser, bara är marginellt
upplösliga i en 1500 °C varm stålsmälta, vilket sätter gränser för hur
mycket man kan tillföra stålet (se Kapitel 4, ”legeringstillsatser”).
Den sista faktorn är mängden orenheter i stålet. Rostfritt stål är i likhet
med alla andra metaller och legeringar inte 100 % homogent utan består
av kristaller - stålets "tegelstenar" (se Kapitel 3). Mellan tegelstenarna
ﬁnns murbruk och det är ofta här vi hittar orenheterna. Dessvärre är det
också här man hittar "kedjans svagaste länk" och med ett material som i
Figur 5.12 sida 71 som uppför sig som en ﬁskelina är det avgörande att hålla
korrosionsbeständigheten för den svagaste delen så hög som möjligt.
92
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
Bland icke-metalliska orenheter är det i speciellt svavel (S) som kan
orsaka olyckor. Såsom beskrivs i Kapitel 4 bildar S i samspel med mangan
(Mn) mangansulﬁder som gör stålet kortspånande men som även sänker
korrosionsbeständigheten markant. Mangansulfider fungerar som
angreppspunkt för nästan alla typer av korrosion och eftersom Mn är en
nödvändig tillsats för stålets valsegenskaper innebär en högre S-halt i stålet
lägre korrosionsbeständighet.
6.2.6
Pitting Resistance Equivalent, PREN
Eftersom både Cr, Mo och N inverkar odelat positivt på stålets
korrosionsmotstånd kan man med rätta ställa sig frågan: Hur bra är de
olika tillsatserna? Är 1 % Mo det samma som 1 % Cr och hur är det med N?
Att jämföra Cr, Mo och N med varandra är lite som att ha ﬁckan full av pengar
i olika valutor. Att 100 DKK är mer än 75 DKK, som är mer än 50 DKK, är
inte svårt att förstå. Men hur mycket är 100 kr i förhållande till 40 DKK +
$ 5 + £ 8? För detta ändamål behöver man använda växelkurserna mellan de
olika valutorna innan man kan räkna om till en gemensam valuta (t ex DKK).
Rostfria
valutakurser
På motsvarande sätt kan man också räkna med ”rostfria valutakurser”.
Används Cr som gemensam valuta har mängder av laboratorieförsök visat att
1 % Mo skyddar lika bra som 3,3 % Cr och att 1 % N är lika bra som hela 16 %
Cr. Vi kan därför utgå från ett slags "valutamätare" som vi kallar ”Pitting
Resistance Equivalent” (PRE eller PREN). Beteckningen ”PRE” används ofta
om man bara räknar med Cr och Mo, medan ”PREN” används om man också
tar kväve med i beräkningen, N.
Ekv. 6.1:
PREN = %Cr + 3,3 · %Mo + 16 · %N
Två ståltyper med samma PREN har samma beständighet mot initiering av
punktfrätning. Ju högre PREN, desto bättre, men teoretiskt sett spelar det
ingen roll om man tillsätter 1 % Mo eller 3,3 % Cr. Det är ökningen i PREN
som är avgörande.
Med utgångspunkt från Ekv. 6.1 går det att analysera ett ståls
legeringssammansättning och utifrån innehållet i Cr, Mo och N
uppskatta graden av motstånd mot punktfrätning. Genom att titta på
legeringssammansättningen för de olika ståltyperna kan man göra en
hitlista - ett slags ranking av ståltypernas beständighet mot punktfrätning.
En sådan lista av olika kommersiella stålkvaliteter samt deras innehåll av
Cr, Mo och N ﬁnns i Tabell 6.1. Observera att samtliga data är baserade på
stålens minimivärden för de olika nyttiga legeringstillsatserna. Ett stål av
typen 4307 kan kan mycket väl innehålla mellan 17,5 och 19,5 % Cr, men
det skulle vara lite väl optimistiskt att satsa på de 19,5 %. Det enda som kan
garanteras är minst 17,5 % Cr.
93
Rostfritt stål och korrosion
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
94
EN
AISI / UNS / Beteckning
Cr
Mo
N
PREN
2.4819
2.4856
Hastelloy C-276
Inconel 625
14,5
20,0
15,0
8,0
-
64,0
46,4
1.4547
254 SMO
19,5
6,0
0,18
42,2
1.4529
904LhMo
19,0
6,0
0,15
41,2
1.4410
Superduplex; UNS S32750
24,0
3,0
0,20
37,1
1.4507
Superduplex
24,0
3,0
0,20
37,1
1.4501
Superduplex; UNS S32760
24,0
3,0
0,20
37,1
1.4462
Duplex 2205 / UNS S32205
22,0
3,0
0,14
34,1
1.4539
904L
19,0
4,0
-
32,2
1.4462
Duplex 2205 / UNS S31803
21,0
2,5
0,10
30,9
1.4460
AISI 329
25,0
1,3
0,05
30,1
1.4536
-
19,0
2,5
0,10
28,9
1.4438
AISI 317L
17,5
3,0
-
27,4
1.4435
AISI 316L, 2,5-3,0 Mo
17,0
2,5
-
25,3
1.4432
AISI 316L, 2,5-3,0 Mo
16,5
2,5
-
24,8
1.4436
AISI 316, 2,5-3,0 Mo
16,5
2,5
-
24,8
1.4408
Gjutstålslegering; 316
18,0
2,0
-
24,6
1.4162
Lean duplex
21,0
0,1
0,20
24,5
1.4362
Duplex 2304
22,0
0,1
0,05
23,1
1.4404
AISI 316L
16,5
2,0
-
23,1
1.4401
AISI 316
16,5
2,0
-
23,1
1.4571
(AISI 316Ti)
16,5
2,0
-
23,1
1.4521
AISI 444
17,0
1,8
-
22,9
1.4526
-
16,0
0,8
-
18,6
1.4318
AISI 304LN
16,5
0,10
-
18,1
1.4306
AISI 304L (högt Ni)
18,0
-
-
18,0
1.4418
-
15,0
0,8
0,02
18,0
1.4307
AISI 304L
17,5
-
-
17,5
1.4301
AISI 304
17,5
-
-
17,5
1.4509
AISI 441
17,5
-
-
17,5
1.4305
AISI 303
17,0
-
-
17,0
1.4541
AISI 321
17,0
-
-
17,0
1.4371
AISI 202
17,0
-
-
17,0
1.4104
AISI 440A
15,5
0,2
-
16,2
1.4109
(AISI 430F)
16,0
-
-
16,0
1.4510
AISI 430Ti / 439
16,0
-
-
16,0
1.4016
AISI 430
16,0
-
-
16,0
1.4310
AISI 301 / 302
16,0
-
-
16,0
1.4034
AISI 440B
14,0
0,5
-
15,7
1.4057
AISI 431
15,0
-
-
15,0
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
EN
•
•
•
•
•
•
AISI / UNS / Beteckning
Cr
Mo
N
PREN
1.4542
AISI 630
15,0
-
-
15,0
2.4816
Inconel 600
14,0
-
-
14,0
1.4021
AISI 420
12,0
-
-
12,0
1.4003
AISI 410S
11,5
-
-
11,5
1.4006
1.4512
AISI 410
AISI 409
11,5
10,5
-
-
11,5
10,5
Tabell 6.1:
Lista över en rad vanliga rostfria ståls innehåll av Cr, Mo och N samt
beräknad PREN enligt Ekv. 6.1. För alla stål är de angivna värdena för
Cr, Mo och N minimivärden i förhållande till standarderna (se Kapital 8).
Prickarnas färg anger ståltyp: Austenitiska (röd), ferritiska (blå), duplexa
(grön), PH-legeringar (gul), martensitiska (lila) och nickellegeringar,
austenitiska (svart).
Återigen hjälper det att betrakta rostfritt stål som en ﬁskelina. I så fall kan
man se på PREN som ﬁskelinans brottstyrka och ju högre brottstyrka, desto
mindre risk att linan går av vid en viss belastning. Att välja ett rostfritt
stål blir därmed "bara" en fråga om att hitta ett stål med tillräckligt hög
korrosionsmässig "brottstyrka".
Oturligt nog medför en högre nivå av nyttiga legeringstillsatser också ett
markant högre pris och ofta högre bearbetningskostnader. Lösningen på
problemet är därför inte att bygga allt av 254 SMO eller superduplext stål
utan i stället att hitta en bra balans mellan korrosionsbeständighet och
pris. Man ska komma fram till vad som krävs och så ska man "bara" välja
ett stål på rätt sida om gränsen - naturligtvis med god säkerhetsmarginal.
PREN;
4301 vs. 4401
Ta t ex det klassiska 4301 (AISI 304). Detta stål innehåller min. 17,5 % Cr
och varken Mo eller N och därför blir PREN4301 17,5. Det syrafasta stålet,
4401 innehåller bara 16,5 % Cr, men samtidigt minst 2,0 % Mo, vilket
förﬂyttar PREN4401 upp till 23,1. Genom att titta på de båda ståltypernas
legeringssammansättning kan man alltså förutse att 4401 har bättre
beständighet mot punktfrätning än 4301. Om vi tittar på duplexa ”2205”
(4462) hamnar PREN4462 på hela 30,9 vilket är ett tecken på ännu bättre
beständighet mot punktfrätning.
Att PREN inte är ren och skär fantasi framgår av Figur 6.10 som visar
korrosionsbeständigheten för olika rostfria ståltyper i olika medier. Notera
att ju högre stålets PREN är desto högre ligger kurvan för aktuellt stål
oavsett vattnets kloridhalt. Ett stål som det syrafasta 4401 är därför bättre i
alla medier än det icke syrafasta 4301-stålet. Detta innebär inte att 4401 är
immunt mot punktfrätning men det krävs mer för att initiera korrosionen
än för "lillebrodern" 4301. Om 4301 håller så gör 4401 det också och om
4401 går i bitar gör 4301 det garanterat också.
Mitt upp i alltihop ﬁnns en mellangrupp av miljöer där 4401 håller medan
4301 inte gör det - området mellan kurvorna på Figur 6.10. Detta område är
särskilt viktigt och det ﬁnns otaliga exempel på att just skillnaden mellan
95
Rostfritt stål och korrosion
syrafast (4401-klassen) och vanligt rostfritt (4301-) avgör utfallet.
Rostfritt stål monterat utomhus i dansk, vinterkall saltdimma är ett
bra exempel - syrafast håller ibland medan vanligt rostfritt stål nästan
aldrig gör det (se Avsnitt 7.2 sida 134).
Olika typer av
syrafast stål
Vad gäller de syrafasta stålen täcks syrafasta AISI 316(L) av ﬂera olika
EN-standarder. Medan 4401 och 4404 båda har minst 2,0 % Mo ligger
den nedre gränsen för 4432, 4435 och 4436 på 2,5 %. Den högre Mohalten har en positiv eﬀekt på PREN och därmed på beständigheten mot
punktfrätning (se Tabell 6.1), så ﬁnns det en ritning som speciﬁcerar
4432, 4435 eller 4436 kan man inte utan vidare använda 4401 eller 4404
eller det titanstabiliserade 4571. Däremot är det sällan några problem
att ersätta 4404 med 4432 eller 4436 – förutom priset, naturligtvis!
Skillnaden mellan de olika standarderna beskrivs i Kapitel 8.
Hur är det då med stålets orenheter? Som nämnts ovan är det främst
svavel som genererar korrosionsbeständigheten och om rätt ska vara rätt
bör man inkludera just S i PREN-ekvationen i Ekv. 6.1 - i så fall med en
stor, negativ faktor som tecken på att S verkar särskilt negativt. Storleken
av denna faktor har diskuterats mycket men -123 (!) har föreslagits för
både S och P, vilket ger följande, modiﬁerade PREN:
Ekv. 6.2:
PREN;
automatstål
96
PREN = %Cr + 3,3 · %Mo + 16 · %N - 123 · (%S + %P)
Detta innebär att endast 0,1 % S faktiskt ska kompenseras av hela 12,3 % extra
Cr eller 3,7 % extra Mo endast för att upprätthålla korrosionsbeständigheten.
För de ﬂesta kommersiella plattstål ligger den övre S-gränsen på 0,015 %
medan man accepterar upp till 0,030 % i stångstål och plattstål vilket
motsvarar en negativ eﬀekt på 1,85 respektive 3,70 % Cr. I Tabell 6.1 har
man inte räknat med S vilket är orsaken till att 4305 ligger i linje med 4301
även om det maximalt tillåtna 0,35 % S teoretiskt sett kan sänka PREN till
under -26! Automatstål är betydligt mindre beständiga mot alla typer av
korrosion än motsvarande, svavelfria kvaliteter.
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
6.2.7
Rost
Alla som har en diskmaskin känner till problemet: Knivarna blir rostiga
medan gafflar och skedar som regel håller mycket bättre. Dessutom är det
inte hela kniven som rostar, utan oftast bara bladet och när man vänder sig
till sin lokala butik får man till svar att det är "ﬂygrost" från diskmaskinens
metallnät.
Figur 6.15:
Martensitiska
knivblad
drabbas ofta av
punktfrätning
= rost
Punktfrätningsangrepp på rostfritt knivblad (ståltyp 4021, 13,5 % Cr).
Korrosionsprodukterna är borttagnaoch själva korrosionen har uppstått
under tvätten - s k rost på grund av för låg PREN. Bilden till höger är ett
mikroskopfoto av eggen på samma knivblad.
Ren nonsens. Om rostﬂäckarna kommit från metallnätet skulle samtliga
knivar, gafflar, skedar, tallrikar och glas vara ﬂäckiga men det är alltid bara
knivbladen. Orsaken står att ﬁnna i Tabell 6.1 av vilken det framgår att samtliga
martensitiska stålkvaliteter har en ganska låg korrosionsbeständighet mot
punktfrätning. De ﬂesta martensiter har en PREN mellan 12 och 15 och det
gör dem markant mindre beständiga mot punktfrätning än 4301 (PREN 17,5).
Knivbladen är som regel mindre korrosionsbeständiga men om bladen ska
kunna härdas kan det dessvärre inte vara annorlunda. Lösningen består i
att säkerställa kort kontakttid genom exempelvis korta tvättprogram eller
(ännu bättre) handtvätt.
Blir dina knivar rostiga tas rostﬂäckarna säkrast bort med varm citronsyra
(se Avsnitt 12.3.2 sidan 261). Detta avlägsnar rosten men naturligtvis inte
de små mikrogroparna som korrosionen orsakat. Bästa sättet att förebygga
korrosionsangreppen på är därför att använda milda tvättprocesser. Lägre
temperatur och/eller kortare disktid är bra steg i rätt riktning.
97
Rostfritt stål och korrosion
6.2.8
Ferritiska, rostfria stål och nickellegeringar
Notera även att kol inte spelar någon roll vid beräkningen av PREN. 4301
och lågkolstålet 4307 har båda en PREN på 17,5 och på motsvarande sätt
ligger 4401 och 4404 helt jämnt, även om gränserna för kol är ganska olika
(max. 0,07 mot 0,03 %; Kapitel 8). Utgår man endast från punktfrätning
är det således hugget som stucket om man väljer lågkolstål eller vanligt
stål. I praktiken bör man emellertid nästan alltid välja lågkolstål eller
titanstabiliserat stål med tanke på risken för interkristallin korrosion (se
Avsnitt 6.5) som sedan kan övergå i punktfrätning eller spaltkorrosion.
Nickel påverkar
inte PREN
En annan sak värd att notera är att nickel (Ni) inte inverkar på PREN.
Detta är tydligt om man jämför det ferritiska stålet 4509 med det
austenitiska 4301. Det förstnämnda har 0 % Ni, medan 4301 har 8 %,
men det är båda stålens 17,5 % Cr, som räknas och båda ligger på PREN
17,5. Att nickel inte spelar någon roll och att det ferritiska, nickelfria 4509
är lika beständiga mot initiering av punktfrätning som det austentiska,
nickelhaltiga 4301 (4307) har bevisats vid ﬂertalet korrosionstester
vid bl a Danmarks Tekniske Universitet [38]. På samma sätt har det
visat sig att det ferritiska 4521 är minst lika beständigt mot initiering av
punktfrätning som det syrafasta, austenitiska 4401 (4404).
Även om nickel inte har någon större inverkan på initieringen av
punktfrätning har den dock en viss betydelse i det att propageringen
(utvecklingen) av punktfrätningen är nära förknippad med nickelhalten.
När olyckan väl är skedd, och korrosionen inletts, är stålet aktiverat och
här är det av stor betydelse att nickel är en ädlare metall än både krom
och järn. Ju högre nickelhalt, desto lägre korrosionshastighet, så medan
det är krom, molybden och kväve som avgör om korrosionen startar är det
som sagt nickel som bestämmer hur snabbt genomfrätningen inträﬀar,
d v s när olyckan redan är skedd. Nickel fungerar i detta avseende som
en korrosionsmässig säkerhetssele. Nickel förhindrar inte olyckan men
lindrar konsekvenserna.
Emellertid är valet av rostfritt stål (med undantag av allmän korrosion)
nästan alltid en fråga om att förhindra att korrosionen över huvudtaget
börjar. Om ett punktfrätningsangrepp leder till genomfrätning på
tre, fyra eller fem månader är sällan relevant och det gör att man ofta
kan bortse från nickel. Genom att fokusera på en hög halt av krom
och eventuellt molybden kan man i många tillämpningar ersätta de
traditionella nickelhaltiga austeniterna med de nickelfria ferriterna utan
att tumma på beständigheten mot punktfrätning. Dessutom får man hos
ferritiska stål betydligt bättre beständighet mot spänningskorrosion (se
Avsnitt 6.4). Nackdelarna är att man kan räkna med sämre brottgräns
(se Kapitel 3), en något mer komplicerad svetsprocess för att undvika
intermetalliska faser (se Kapitel 10).
98
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
Ferritiska stål
är prisstabila
Nickelutsöndring i livsmedel
En fördel med de ferritiska stålen är det relativt låga och ganska stabila priset
som inte är beroende av nicklets höga pris och våldsamma svängningar
(se Figur 4.2 sida 43). Priset på de ferritiska stålen är därför mycket mer stabilt
än för de austenitiska, vilket naturligtvis ökade intresset för ferriterna
omkring 2006 och 2007. När nickelpriset därefter föll kraftigt mellan 2008
och 2009 sjönk intresset i motsvarande utsträckning men i skrivande stund
är det sakta på väg upp igen. I den ferritiska världen har man ett mycket
mindre utbud av stålkvaliteter och leveransformer än för de parallella
austeniterna. Särskilt de stabiliserade, ferritiska stålen (t ex 4509 och 4521)
är i dagsläget svåra att hitta som annat än tunnplåtar (Avsnitt 9.1 sida 169).
Vid sidan av priset har ferriterna den psykologiska fördelen att risken för
nickelutsöndring från ett nickelfritt stål är lika med noll, vilket gör det
ferritiska stålet särskilt väl lämpat för livsmedelstillämpningar. 4016 är
mycket populärt för tillverkning av storköksutrustning i såväl England som
Italien och det svetsbara 4509 används i hög grad i kylskåp, såväl invändigt
som utvändigt. Figur 2.4 sida 18. För ytterligare information om rostfritt stål
för livsmedelstillämpningar hänvisar vi till Avsnitt 6.9.1.
Notera även att det smugit sig in tre nickelbaserade legeringar i Tabell 6.1:
Inconel 600, Inconel 625 och Hastelloy C-276. Nickellegeringar kan vad
beträﬀar punktfrätning behandlas parallellt med de rostfria stålen. Ökad
korrosionsbeständighet uppnås ju som bekant genom att man tillsätter så
mycket som möjligt av främst krom och molybden i stålet. Tyvärr behöver
detta balanseras av en motsvarande mängd nickel (se Figur 3.2 sida 26) och vid
en tidpunkt har det tillsatts så mycket nickel att järn (Fe) blir underordnat
och vi får i stället en nickellegering. Av denna anledning kan man med rätta
betrakta de högkorrosionsbeständiga nickellegeringarna som naturliga
förlängningar av de rostfria stålen.
Nickellegeringars
mekaniska
styrka
I den andra änden av Tabell 6.1 är det intressant att Inconel 600, trots minst
72 % Ni, hamnar långt ner. Vid enkel punktfrätning klarar sig Inconel
600 sämre än vanligt 4301, vilket hänger ihop med att legeringen som minst
innehåller 14 % Cr. De 72 % Ni bidrar inte mycket till det passiva skiktet
men det är inte heller så konstigt. Just Inconel 600 och släktingen Inconel
601 (21-25 Cr, 58-63 Ni) har utvecklats p. g. a. god mekanisk hållfasthet vid
höga temperaturer samt god korrosionsbeständighet i korrosiva rökgaser
men de duger inte i oxiderande förhållanden vid rumstemperatur. Precis
som en Ferrari är genialisk på en racerbana men föga duglig på en ojämn
landsväg. En 4WD Landcruiser har motsatta styrkor och svagheter och på
samma sätt förhåller det sig med metaller. Alla legeringar har sina styrkor
och begränsningar och det handlar därför alltid om att försöka hitta den
kombination av egenskaper som bäst uppfyller behoven.
99
Rostfritt stål och korrosion
6.3
Spaltkorrosion
Figur 6.16:
Spaltkorrosion
beror på dåliga
transportförhållanden
Alla trånga ställen i en konstruktion kan fungera som spalter. All
transport sker genom diﬀusion och miljön i spalten kan lätt bli
betydligt mer korrosiv än utanför. I rörvärmeväxlare är risken för
spalter mellan tubplattan och påsvetsade rör stor och något man
ska ta höjd för vid val av stål.
Spaltkorrosion (engelska: crevice corrosion) påminner mycket om
punktfrätningen och tillsammans kallas de ofta lokalkorrosion.
Skillnaden är att medan punktfrätning äger rum på "fria ytor" uppstår
spaltkorrosion i spalter, vid ﬂänsar, under bultar, gängor, porer eller
andra svåråtkomliga ställen där det inte sker någon omrörning och där
vattnet därför står helt stilla. All transport sker genom diﬀusion och
här kan rostfritt stål på egen hand skapa en miljö som är betydligt mer
korrosiv än vid de fria ytorna utanför spalten. Den svaga passivström som
ska till för att upprätthålla stålets skyddande kromoxidskikt ger upphov
till en mycket, mycket svag utsöndring av positiva och sura metalljoner.
Dessa måste balanseras laddningsmässigt vilket ger en viss diﬀusion av
negativa kloridjoner in i spalten.
Kombinationen av stigande klorid och sjunkande pH gör mediet inuti
spalten betydligt mer korrosivt än "bulkmediet" utanför. I extremfall kan
man inuti spalten få en utspädd saltsyra (HCl) medan mediet utanför
bara är vanligt vattenledningsvatten, vilket självfallet spelar stor roll
för korrosionsförhållandena inuti i spalten. I något skede spricker
bubblan och korrosionen startar och när detta sker fungerar spalten
som anod och resten av stålet som katod. Detta är samma, olyckliga,
galvaniska koppling man ser vid punktfrätning men vid spaltkorrosion
är mekanismen geometriskt betingad.
100
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
O2
O2
O2
O2
O2
Cl–
Cl–
Cr 3+
H+
Fe 3+
O2
O2
H++
H
Cl–
Cl–
H+
O2
Figur 6.17:
Spaltkorrosion är
en större risk än
punktfrätning
Överst: Upprätthållandet av det passiva skiktet medför ett ultrasvagt
läckage av positiva metalljoner till vätskan i spalten. Mitten: De positivt
laddade metalljonerna kräver laddningsbalans och drar därför till sig
negativt laddade joner, särskilt det korrosiva kloridet. Nederst: Klorid
bryter ned stålets skyddande oxidskikt och spalten aktiveras. Spalten
blir därmed anod medan området utanför spalten fungerar som katod.
På grund av mekanismen i vilken det ytterst korrosiva kloridet absorberas
från en stor vätskefas, kan spaltkorrosion bara inträﬀa vid fullt nedsänkta
förhållanden. Den kraftiga koncentrationen av klorid i spalten gör dessutom
att risken för spaltkorrosion alltid är större än risken för punktfrätning.
En gammal tumregel för austenitiska stål säger således att den kritiska
spaltkorrosionstemperaturen (CCT) ligger 20-25 °C lägre än motsvarande
kritiska punktfrätningstemperatur (CPT). Detta innebär således att man
löper risk för spaltkorrosion vid en temperatur som är 20-25 °C under
temperaturen för punktfrätning, varför man ska se upp med detta vid
utformning av konstruktioner. Om stålet ligger nära den korrosionsmässiga
"smärtgränsen" (enligt t ex Figur 6.10) ska man med alla medel säkerställa
att det inte ﬁnns några spalter i systemet. Om detta inte är möjligt ska
man välja ett mer korrosionsbeständigt stål där man lagt in en extra stor
säkerhetsmarginal - mer än 25 °C.
101
Rostfritt stål och korrosion
CPT [°C]
Denna tumregel gäller för de austenitiska stålen medan de nickelfria
ferriterna (t ex 4509, 4521, etc.) inte återpassiverar lika bra och därför
förväntas ha större avstånd mellan spaltkorrosion och punktfrätning.
Med ferritiska stål kan man därmed förvänta sig större känslighet för
spaltkorrosion än för deras austenitiska motsvarigheter.
100
80
60
40
Utan spalter (CPT)
20
Med spalter (CCT)
0
0,01
0,02
0,05
0,1
0,2
0,5
4301
1,0
2,0
Cl– [%]
Figur 6.18:
Spaltgeometri
CPT-kurvan för rostfritt stål 4301 (enligt Figur 6.10) samt en
motsvarande simulerad CCT-kurva minus 25 °C. Den nedersta
kurvan simulerar beständigheten mot spaltkorrosion. Observera att
spaltkorrosion alltid uppstår före punktfrätning.
Alla spalter är inte lika korrosiva. Utöver de material som är inblandade
har själva geometrin av spalten stor betydelse och ju djupare spalten är,
desto mer kritisk blir den. På samma sätt är trånga spalter mer kritiska
än öppna, helt enkelt därför att vätskeutbytet blir mer besvärlig så att
transporten blir mer och mer diﬀusionsberoende. Av denna anledning
är metall-gummi-spalter som regel mer kritiska än metall-metallkombinationer. Packningar är ju till för att täta men har även den
nackdelen att spalterna blir potentiellt känsligare mot korrosion.
Ett antal andra faktorer kan också påverka spalternas farlighet och på
det hela taget är spaltkorrosion en korrosionsform som är mycket svår
att simulera och därmed också att förutse. Dels har spaltgeometrin som
bekant stort inﬂytande och dels tar det lång tid att bilda den korrosiva
miljön. Det sistnämnda gör att det nästan är omöjligt att göra några
snabba och enkla korrosionstest som kan simulera förhållandena i ett
laboratorium. I stället väljer man ofta att mäta beständigheten mot
punktfrätning (t ex CPT-försök) och sedan dra av 25 °C såsom gjorts i
Figur 6.18. Metoden är inte alls 100 % säker men duger när man ska göra
ett snabbt materialval.
102
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
Figur 6.19:
6.3.1
Spaltkorrosion i svetsnippel av 4404 utsatt för kopparkloridlösning
(CuCl2 ). Observera att korrosionen är koncentrerad till packningsspåret.
Mikrobiellt inducerad korrosion (MIC)
En om möjligt ännu mer oförutsägbar sida av saken är förekomsten av
mikroorganismer. Bittra erfarenheter har visat att just mikroorganismer kan
påverka det rostfria stålets korrosionsförhållanden i olyckliga riktningar.
Dels genom att ge upphov till påväxt som kan fungera som spalter och dels
genom att skapa bioﬁlm som förändrar den lokala miljön.
En av de mätbara eﬀekterna av vissa bakterietyper är att de kan öka stålets
korrosionspotential till nivåer långt över det som annars finns i rent
vattenledningsvatten (normalt 150-300 mVSCE i vattenledningsvatten; över
400 mV i renat spillvatten – se Figur 6.20). Resultatet är att CPT-kurvorna
i Figur 6.10 halkar ned ordentligt och villkoren blir därmed långt värre för
stålet.
Spalter är
grogrunder för
mikroorganismer
Dessutom fungerar beﬁntliga spalter bättre än de fria ytorna skulle göra som
grogrund för mikroorganismer, varför mikrobiellt aktiva miljöer ofta gör
stålet betydligt känsligare för just spaltkorrosion än mot punktfrätning. Som
beskrivs ovan är det normalt en temperaturskillnad mellan spaltkorrosion
och punktfrätning på 20-25 °C (se Figur 6.18) men i mikrobiologiskt
aktiva medier kan denna temperaturgräns bli avsevärt större. Det ﬁnns
alltså exempel från reningsverk där syrafast 4404 angripits av skenande
spaltkorrosion i 12-15 °C kallt vatten med under 100 mg/l klorid, även om
kurvorna säger att CPT borde ligga en bra bit över 100 °C. I så fall borde
spaltkorrosion som regel inte kunna ske vid temperaturer över 80 °C men
det gör det alltså vid mycket lägre temperaturer.
103
Potential [mVSCE]
Rostfritt stål och korrosion
+475
Avloppsvatten (renat)
+200
Normalt, luftat vattenledningsvatten
Tid
Figur 6.20:
Spillvatten kan
vara extremt
korrosivt mot
rostfritt stål.
Syrafast stål
räcker inte
alltid i ett
reningsverk.
104
Mätningar av passivt rostfritt ståls korrosionspotential i vanligt
vattenledningsvatten respektive renat spillvatten. Mätningarna har
utförts under en period på över 14 dagar och gemensamt för dem är
att korrosionspotentialen börjar långt ner för att sedan stiga kraftigt
under en veckas tid. Notera att slutpotentialen (p. g. a. bakteriell
aktivitet) är mycket högre för rostfritt stål i renat spillvatten än för
samma stål i rent vattenledningsvatten.
Ett lysande exempel på detta är att spillvatten och rostfritt stål kan
uppföra sig mycket underligt i reningsverk. Det är lätt att dra slutsatsen att
det kraftigt osande, orena intaget i ett reningsverk är mest problematiskt
men så är inte fallet. Vid intaget ﬁnns höga koncentrationer av häftigt
syreförbrukande mikroorganismer som gör vattnet i det närmaste helt
syrefritt. Detta ger en mycket låg korrosionspotential vilket i sin tur ger
mycket god korrosionsbeständighet för alla rostfria stålkvaliteter. Det
är snarare regel än undantag att vanligt rostfritt stål i 4301-klassen
håller i intagsänden.
Tvärtom är det i den rena utloppsänden (eftersedimenteringstank,
sandfång, m.m.) där vattnet är nästan lika rent som vattenledningsvatten.
Här uppför sig vattnet betydligt mer oxiderande än normalt luftat
vattenledningsvatten och p. g. a. bakteriell tillväxt kan man ofta
uppmäta korrosionspotentialer på över 400 mVSCE (inofficiellt danskt
rekord: +475 mVSCE !) motsvarande nivån för utspädd väteperoxid
(hydrogenperoxid). I sådana medier kan till och med syrafast,
rostfritt stål i 4401-/4404-klassen angripas av spaltkorrosion varför
svetsspeciﬁkationerna för just reningsverk ofta innehåller en klausul att
det inte får förekomma porer eller spalter. Hur rostfritt stål uppträder i
spillvatten behandlas grundligt i [16].
Kapitel 6 - Rostfritt ståls korrosionsegenskaper
Figur 6.21:
Spaltkorrosion i pressﬁttings (t.v.) och rör (t.h.) av 4404 som följd av
bakterietillväxt i dricksvatteninstallation. Korrosionen har uppstått i
45-50 °C varmt vatten med mindre än 100 ppm klorid och det märks att
korrosionen (de ljusgrå områdena till höger) har angripit ställen där det
är trångt, t ex där pressmuﬀen klämts fast om röret.
Emellertid är eﬀekten av bakterier och bioﬁlm inte begränsad till bara
reningsverk. Alla icke-sterila medier (dvs. nästan samtliga medier!) kan
medföra bakteriell påverkan på korrosionsförhållanden och till och
med rent dricksvatten kan bjuda på obehagliga överraskningar. När
pressﬁttingsystemet infördes för över 20 år sedan var alla rör och ﬁttings
tillverkade av vanligt 4301, vilket i teorin borde fungera tillsammans med
kallt vattenledningsvatten, i alla fall med en kloridhalt under 100-150 mg/l
(se Figur 6.10 och Figur 6.18). Det gjorde det inte och därför är dagens
pressﬁttings tillverkade av det klart bättre, syrafasta stålet (4404). Det går
som tur är bra i de ﬂesta fall men det ﬁnns en del sällsynta exempel på så
aggressiva bakterier (eller bakteriekombinationer) att inte ens syrafast stål
kan stå emot spaltkorrosion.
6.3.2
Bekämpning av spaltkorrosion
På grund av lite underliga miljöförhållanden, tidsfaktorn, mikrobiologiska
eﬀekter och det omöjliga i att göra en "väldeﬁnierad spalt" är spaltkorrosion
en av de korrosionsformer som är svårast att bekämpa. De legeringstillsatser
som bekämpar spaltkorrosion bäst är de samma som är bra mot punktfrätning.
En lista över olika stål kommer därför att se ut mycket som i Tabell 6.1.
Molybden
fungerar bra mot
spaltkorrosion
Emellertid finns det vissa skillnader mellan punktfrätning och
spaltkorrosion. Molybden passiveras som regel betydligt bättre i syrefattiga
medier (och därmed spalter) än krom. Stålets molybdenhalt är därför
viktigare vid spaltkorrosion än punktfrätning. Molybden är ännu viktigare
vid bekämpningen av spaltkorrosion än punkfrätning. Man får därför räkna
med att PREN-faktorn mellan krom och molybden vid spaltkorrosion är
högre än de 3,3 som anges i Ekv. 6.1 och används i Tabell 6.1.
105
Rostfritt stål och korrosion
Dessutom medför själva mekanismen kring spaltkorrosion en svag,
allmän korrosion som orsakar läckage av små mängder av positiva
metalljoner (se Figur 6.18) och här har nickel en viss, positiv betydelse.
Eftersom det stål som har bäst beständighet mot punktfrätning därmed
också har bäst beständighet mot spaltkorrosion är det därför inte dumt
att gå upp i tabellen för att förbättra stålet.
Figur 6.22:
Babysalva och
spaltkorrosion
106
Saltvatten är en av de mest korrosiva miljöerna som finns för
rostfritt stål. Risken är i synnerhet spaltkorrosion och ska denna
korrosionsform undvikas måste man ta till "superlegeringar". Detta
kylvattensystem från en borrplattform i den danska delen av Nordsjön
är tillverkad av 4547 (254 SMO). Foto: © Maersk Oil.
Den perfekta situationen är naturligtvis att helt undvika spalter i
systemet. Detta är svårt att åstadkomma vid exempelvis svetsporer och
bindningsfel men vid "planerade spalter" som bultförband och ﬂänsar
kan man göra ett litet trick - ett riktigt hästhandlarknep - som inte
är särskilt vetenskapligt belagt men som fungerar i praktiken. Genom
att smörja ytan med ett tunt lager vaselin vattenskyddas spalten varvid
mekanismen i Figur 6.18 helt enkelt inte kan äga rum. Det här kan tyckas
vara en temporär lösning men i praktiken håller eﬀekten mycket länge,
särskilt om man i stället för rent vaselin använder en blandning av vaselin
och basisk zinkoxid, dvs. det samma som används i babysalva! Faktum är
att apotekets babysalva är alldeles utmärkt för ändamålet. Dock måste
man säkerställa att användningen av vaselin och/eller zinkoxid inte på
något sätt kan påverka mediet.