Fragen Sie einen Metallurgen:Was ist Rost?

Die Chemie der Korrosion:So reinigen und schützen Sie Ihre Metallgegenstände

Rost ist der gebräuchliche Name für die Chemikalien, die entstehen, wenn Eisen mit Sauerstoff und Wasser reagiert. „Rost“ ist in der Chemie jedoch schlecht definiert – viele Chemikalien können gebildet werden, wenn Eisen freigelegt wird. Wir bezeichnen jedoch im Allgemeinen das rote, schuppige Aussehen, das durch bestimmte Chemikalien entsteht, als Rost.

Durch korrodierendes Eisen oder Stahl entstehen unter normalen Umgebungsbedingungen viele verschiedene Verbindungen. Einige dieser Chemikalien sind schwarz, blau, gelb, grau oder braun, je nachdem, welche Moleküle sie beim Rosten aus der Umgebung aufnehmen. Zum Beispiel kann sich schwefelhaltiger saurer Regen mit Eisen verbinden, um Pyritmoleküle zu bilden, das gelbe Mineral, das „Katzengold“ genannt wird. Diese Mineralien sind überhaupt nicht das, was wir uns unter Rost vorstellen. Was wir normalerweise meinen, ist eine Art Eisenoxid (III), das rot oder rotbraun aussieht.

Wenn wir von Eisenrost sprechen, beziehen wir es daher nicht immer auf die chemischen Veränderungen, die wir bei anderen Metallen beobachten, die wir regelmäßig verwenden. Wir sprechen nicht vom „Rosten“ von Silber oder Kupfer. Stattdessen soll Kupfer eine Patina entwickeln und Silber soll anlaufen. All diese Begriffe beschreiben das Korrodieren freiliegender Metalle.

Warum rostet Eisen? Warum rostet Kupfer nicht?

Metalle korrodieren durch chemische Reaktionen mit ihrer Umgebung. Raffinierte, für den Menschen nutzbare Metalle liegen oft nicht in ihrer thermodynamisch stabilsten Form vor. Sie reagieren mit Molekülen in der Luft um sie herum, um einen stabileren Zustand zu finden.

Bei rostendem Eisen ist dies ein Oxidationsprozess, bei dem Sauerstoff und Wasser arbeiten, um Eisenoxide zu produzieren. Bei anderen Molekülen kann es jedoch zu Korrosion kommen. Silbertrübung entsteht oft durch Reaktionen mit Schwefelwasserstoff, einem Gas, das nach faulen Eiern riecht und durch bakterielle Zersetzung in sauerstoffarmen Umgebungen entsteht. Wenn Sie Silber in der Nähe eines Sumpfes oder einer Müllhalde haben, läuft es schnell an!

Einige Metalle korrodieren nicht, weil sie bereits chemisch stabil sind. Gold und Platin sind Beispiele:Sie kommen daher eher als reines elementares Metall in der Erdkruste vor. Silber kommt auch als reines Metall vor, denn wenn es anläuft, bildet der Anlauf selbst eine thermodynamisch stabile Versiegelung um den Rest des Metalls. Dieser passive Film verhindert eine weitere Korrosion weiter unten liegender Schichten in einem Prozess, der als Passivierung bezeichnet wird.

Die Patina von Kupfer, die für die unverwechselbare grüne Farbe der Freiheitsstatue verantwortlich ist, ist ein Beispiel für einen passiven Film, der das darunter liegende Metall schützt; der Grünspan, der durch die Verwitterung des Kupfers entsteht, bleibt mit der darunter liegenden Kupferschicht verbunden, versiegelt und schützt sie vor atmosphärischen Molekülen.

Im Gegensatz dazu binden rote Eisenoxide (III) nicht an das darunter liegende Eisen, sondern lösen sich ab und platzen ab. Daher bildet Rost keine Passivierungsschicht, sondern korrodiert und setzt die nächste Eisenschicht der Oxidation aus.

Einige Legierungen auf Eisenbasis, wie Edelstahl, sind dafür bekannt, dass sie rostbeständig sind. Rostbeständige Eisenlegierungen haben ein Metall in der Mischung, das einen passiven und schützenden Film bildet, bevor sich Rost ansetzen kann. Bei Edelstahl wird die Passivierung durch die Zugabe von Chrom erzeugt, das schnell oxidiert und eine sehr dünne Schicht hinterlässt, die das Eisen schützt .

Häufige Arten von Metallkorrosion

Metalle korrodieren in unterschiedlichen Umgebungen durch unterschiedliche Prozesse. Die einfachste Form der Korrosion tritt auf, wenn Metalle an ihrer Oberfläche mit Feuchtigkeit und Luft reagieren. In salzhaltigen Umgebungen kann das Vorhandensein von Chlor im Salz diesen Prozess beschleunigen und abschwächen. Bei saurem Regen können Schwefelverbindungen verantwortlich sein.

Salzhaltige Umgebungen erleichtern auch einen etwas komplizierteren Prozess namens galvanische Korrosion . Bei der galvanischen Korrosion kommen zwei Arten von Metallen mit sehr unterschiedlichen elektrischen Potentialen in einem Elektrolytbad, wie z. B. Meerwasser, in elektrischen oder physischen Kontakt. Das passivere Metall, das kathodische Metall, entzieht dem aktiven oder anodischen Metall Elektronen. Diese chemische Reaktion ist eine Form der Korrosion, die auch die Grundlage elektrochemischer Batterien bildet.

Die neu geladenen Moleküle im anodischen Metall stabilisieren sich selbst, indem sie sich mit Molekülen in der Umgebung verbinden und normalerweise Oxide oder andere Mineralien bilden. Bei Stahl sind diese Oxide Rost.

Aluminium ist ein Metall, das normalerweise während der Korrosion durch einen passiven Film geschützt wird. Aluminium kann jedoch aufgrund von galvanischer Korrosion schnell bis zum Versagen korrodieren, wenn es mit Edelstahlschrauben verschraubt wird. Die Stahlschrauben hingegen sind widerstandsfähiger gegen Rost! Die Bereitstellung eines stetigen Elektronenstroms durch die Anode verhindert Korrosion im Kathodenmetall. Aus diesem Grund werden manchmal „Opferanoden“ an Metall angebracht, das dem Meer ausgesetzt wird, wie an einem Schiffsrumpf, um die Schiffsmembran elektrochemisch zu schützen.

Lochkorrosion ist der Begriff für Korrosion, die nicht gleichmäßig auf einer Metalloberfläche auftritt. Stattdessen erscheinen kleine Löcher im Metall. Diese Bereiche mit schneller Korrosion sind normalerweise auf das Versagen der „Versiegelung“ des Materials zurückzuführen, sei es eine künstliche Versiegelung wie Farbe oder Pulverbeschichtung oder die passive Filmversiegelung einer obersten Korrosionsschicht. Die Passivierungsschicht kann versagen, wenn Einschlüsse im Metall vorhanden sind oder die Legierung nicht gleichmäßig ist. Metall ist eine kristalline Struktur aus Körnern, und es gibt verschiedene Phasen dieser Kornstrukturen. Wenn die Chemie unregelmäßig oder verformt ist, kann dies zu korrosionsanfälligeren Stellen und sogar zu galvanischer Korrosion im gesamten Körper des gleichen Metalls führen.

Kann Edelstahl rosten?

Edelstahl ist eine korrosionsbeständige Eisenlegierung, die Rost durch Zugabe von Chrom bekämpft. Es werden unterschiedliche Chromanteile verwendet, um es gegen regelmäßigen Gebrauch oder starken Gebrauch in salzhaltigen Umgebungen beständig zu machen, wie bei Edelstahl 316.

Aber auch Edelstahl kann rosten! All das Eisen, das im Metall eingeschlossen ist, muss nur exponiert werden, um reagieren zu können. Es verlässt sich auf die „versiegelnde“ Passivschicht aus Chromoxid, um es zu schützen.

Die Chromoxidschicht ist nur wenige Moleküle dick und wird nicht sofort gebildet. Bei der Herstellung von Edelstahl wird dieser mit einer Säure gereinigt. Diese Säure entfernt alle oberflächlichen Eisen-, Salz- oder Fettablagerungen, die ein Problem für die chemische Reaktion des Chroms verursachen könnten. Abhängig von der Art der verwendeten Säure kann sie entweder Teil des Passivierungsprozesses sein oder den Stahl lediglich auf die natürliche Passivierung an der Luft vorbereiten.

Da dieser passive Film eine Chemikalie ist, kann er zerstört werden. Sehr hohe Hitze von über 750 °F kann molekulare Veränderungen im Chrom verursachen, die eine Oxidation verhindern, sodass sich Rost um die Stelle einer Schweißnaht auf Edelstahl bilden kann. In anderen Fällen kann die Chromoxidschicht durch schnelle thermische Veränderungen, Abrieb, Bruch, Salz, Säure und den Aufbau anderer Metallablagerungen beeinträchtigt werden. Wenn der Edelstahl mit zu viel Eisen in Kontakt kommt, kann der örtlich begrenzte Chromanteil unter den minimalen Prozentsatz fallen, der erforderlich ist, um einen Film aufrechtzuerhalten (untere Grenze bei 10,5 %).

Daher kann das Scheuern von Edelstahl mit Stahlwolle ein Rostproblem verschlimmern! Wenn das Chrom abgetragen wird, können Stahlmoleküle aus dem Wäscher Teil des Grundmetalls werden, wodurch der lokale Chromgehalt gesenkt wird. Wenn die Passivierung auf Edelstahl versagt und Eisen Wasser und Luft ausgesetzt wird, setzt sich Rost fest.

Wie man Rost von Edelstahl entfernt

Ratschläge zur Reinigung von Edelstahl suggerieren oft, dass Sie „vorsichtig sein müssen, die Chromoberfläche zu zerkratzen“, und raten daher davon ab, Scheuermittel und andere Chemikalien zu verwenden. Das ist nicht ganz richtig:Der Rost deutet darauf hin, dass die Chromoxidoberfläche bereits angegriffen wurde. Das Ziel der Entrostung von Edelstahl im nicht-industriellen Kontext (zu Hause oder in einer kleinen gewerblichen Küche) ist es, zuerst die Edelstahllegierung vollständig zu reinigen, allen Rost, aber auch alle Eisenablagerungen, Salz, Fett oder Säure zu entfernen, und dann das Material „autopassivieren“ lassen, was bedeutet, dass es mit Luft reagiert, um die Dichtung neu zu bilden. Wenn Sie sich dabei von allen Formen von Eisen und Stahl fernhalten, können Sie mit dem Ergebnis zufrieden sein.

Rost von Edelstahl entfernen:

1. Ein mildes Scheuermittel wie Natron kann zum Schrubben der Oberfläche mit einem Tuch, Schwamm oder einer weichen Bürste verwendet werden, um den Rost zu entfernen.
2. Während der Rost und alle Verunreinigungen entfernt werden, wird das Chrom sofort automatisch passiviert und bildet seinen eigenen Schutzschild.
3. Die Chromoxidschicht wird in den folgenden Tagen dicker, daher hilft das Trocknen an der Luft über Nacht dabei, ihren Schutz aufzubauen!
4. Nach einer guten Spülung kann der Edelstahl an der Luft trocknen gelassen oder mit einem speziellen Edelstahlreiniger gereinigt und poliert werden.

In der Fertigung wird Edelstahl manchmal in einem heißen Salpetersäurebad gereinigt, wodurch eine dickere Passivierungsschicht „erzwungen“ wird. Aus Umweltgründen gehen viele Hersteller derzeit dazu über, Zitronensäure zur Reinigung zu verwenden, wie sie zu Hause vielleicht üblicher ist, und lassen den Edelstahl dann „autopassivieren“.

Wie man Rost von Gusseisen und Stahl entfernt

Im Gegensatz zum Entfernen von Rost von Edelstahllegierungen kann die Verwendung von Stahlwolle oder einer Drahtbürste helfen, Rost von Gusseisen oder Stahl zu entfernen!

Für einfache, kleinere Oberflächen wie verrostete Gusseisenpfannen:

1. Ein Scheuerschwamm und etwas Ellenbogenschmalz können die Eisenoxidschicht entfernen. Salz ist ein häufig verwendetes Schleifmittel.
2. Die Pfanne sollte dann gut gewaschen werden.
3. Die Pfanne sollte über Hitze getrocknet werden, damit aus allen Poren der Oberfläche Flüssigkeit ausgetrieben wird.
4. Gusseisen muss mit Öl behandelt werden, das beim Einbrennen auf der Oberfläche eine Polymerversiegelung bildet.
5. Dieses Öl kann in einer dünnen Schicht über die Oberfläche gestrichen und dann 1 Stunde lang bei 375° eingebrannt werden (umgekehrt, um ein Zusammenlaufen zu verhindern). Falls gewünscht, können zusätzliche Schichten hinzugefügt werden.
6. Leinsamenöl in Lebensmittelqualität ist die ideale Wahl zum Würzen von Ölen, da es ein hartes, glänzendes Finish bietet.

Schrubben ist für viele Objekte mit komplexen Formen oder Größen nicht praktikabel. In diesem Fall können chemische Entfernungsmethoden der beste Ansatz sein. Sie haben je nach Art der verwendeten Legierung eine unterschiedliche Wirksamkeit. Haushaltsübliche Zutaten wie Essig, Melasse oder Zitronensäure können verwendet werden. Melasse ist eine überraschende Wahl, und es dauert länger als Essig – aber es kann sehr effektiv sein, da es in Oxalsäure zerfällt, die hilft, Rost zu entfernen.

Kommerzielle Rostentfernungsprodukte – oft mit stärkeren Säuren hergestellt – sind ebenfalls erhältlich. Das Einweichen in diese Flüssigkeiten und das anschließende Entfernen und Trocknen kann bei der Wiederherstellung alter rostiger Schätze effektiv sein.

Wie bei Gusseisenpfannen ist es jedoch wichtig zu überlegen, wie Ihr Stahl und Ihr Eisen nach der Reinigung vor Witterungseinflüssen geschützt werden.

Eisenmetalle schützen

Eisen rostet in Gegenwart von Luft und Wasser. Das heißt, seit die Menschheit Eisen verarbeitet, arbeiten wir auch an den besten Versiegelungen für Eisen. Es gibt viele Möglichkeiten, eine dichte Schicht zu erstellen.

Zwangspassivierung – Eine sehr übliche Form der Versiegelung von Eisen oder Stahl besteht darin, die erste Schicht zu einem Eisenoxid (II) oder Schwarzoxid zu korrodieren, das wie andere Metallpatinas funktioniert und das Metall versiegelt. Der einzige Unterschied zwischen diesem Prozess und dem bei Kupfer, Zink oder Chrom besteht darin, dass er unter normalen Umgebungsbedingungen nicht stattfindet. Wenn also die oberste Schicht des Artikels beschädigt ist, muss der gesamte Artikel nachgearbeitet werden. Dies wird als „Bläuen“ bezeichnet, wenn es mit Waffen in einem Prozess durchgeführt wird, oder als „Schwärzen“ in den meisten Maschinenwerkstätten durch einen ähnlichen Prozess, aber mit etwas anderen Chemikalien. Bei Kaltschwärzungsprozessen kann Eisenoxid (II) über die Oberfläche gestrichen werden, was einen etwas weniger dauerhaften Schutz bietet.

Regelmäßige Verwendung und Pflege, einschließlich Ölen oder Wachsen —Ein Teil des Arbeitseisens oder -stahls wird größtenteils roh belassen, wo Gebrauch, Pflege oder Umgebung sie glänzen lassen. Traditionell wurden Waffen wie Schwerter und Ausrüstung wie Messer möglicherweise „roh“ gelassen, aber getrocknet und mit Mineral- oder Speiseölen geölt, die temporäre Versiegelungen sind, die regelmäßig erneut aufgetragen werden müssen. Bei längerer Lagerung können Wachse und andere Polituren verwendet werden, um eine Versiegelung zu schaffen – aber eine, die sich bei Gebrauch noch abnutzen würde.

Motorteile, die normalem Öl ausgesetzt sind, können roh bleiben, da die Hitze und das Öl um den Motor herum ein Rosten unwahrscheinlich machen, aber die Außenflächen könnten lackiert sein. Die Abgassysteme von Autos sind auf die höheren Temperaturen eines vollständig heißen Motors angewiesen, um Korrosion zu verhindern, und so lange genug zu fahren, damit sich der Motorblock erwärmt, ist eine Möglichkeit, Rost in einem Schalldämpfer zu verhindern. (Bei Hochleistungs-Rennmotoren können die Innenseiten auch lackiert werden, aber dies dient hauptsächlich der Ölzirkulation.)

Aufgetragene Versiegelungen —Viele Eisen- und Stahlprodukte werden geschützt, indem sie mit einer harten Schicht aus einer anderen Substanz überzogen werden. Dazu gehören:

• Polymerisiertes Öl: Leinöl (aus Flachs hergestellt, aber nicht in Lebensmittelqualität) war eine der ursprünglichen Veredelungen für schmiedeeiserne Produkte. Ein Schmied könnte ein Objekt mit Öl abschrecken oder mit Öl bemalen und es dann brennen, um ihm den traditionellen schwarzbraunen Glanz zu verleihen, den wir noch heute auf Schmiedeeisen nachahmen – normalerweise mit Lacken, Farben oder Firnis.
• Feuerverzinkung: Bei diesem Verfahren wird Zink in einem Schmelzbad auf Stahl oder Eisen aufgebracht. Die Zinkverzinkung hat mehrere Schutzeigenschaften. Erstens entsteht eine Patina, die sowohl das Zink als auch das darunter liegende Eisen oder den Stahl versiegelt. Zweitens ist es „aktiver“ als die Metalle, auf die es aufgetragen wird. Während der Lebensdauer eines verzinkten Stahlobjekts fungiert das Zink als „Opferanode“. Während es abgebaut wird, schützt und verlangsamt es die Korrosion des darunter liegenden Stahls, selbst wenn dieser Stahl freigelegt ist.
• Galvanik: Zink kann nicht durch ein Tauchbad auf Stahl aufgebracht werden, sondern indem eine elektrische Ladung durch das Stahlobjekt geleitet wird und das Objekt mit geladenen Zinkpartikeln besprüht wird. Dies bewirkt eine gleichmäßige und ununterbrochene elektrische Bindung über die Oberfläche des Metalls.
• Pulverbeschichtung: Der Prozess der Pulverbeschichtung ähnelt dem Auftragen von Zink, da sowohl das Objekt als auch die Versiegelung elektrostatisch aufgeladen werden, was eine molekulare Verbindung ohne kleinste Unterbrechungen bedeutet, die Feuchtigkeit durchlassen. Die harzige Pulverbeschichtung wird dann in einem heißen Ofen auf das Objekt eingebrannt. Das Fell behält jahrelang seinen Glanz, bietet hervorragenden Schutz und erfordert nur minimale Pflege.
• Farbe: Sowohl im Innen- als auch im Außenbereich und sogar im Herzen von Hochleistungsmotoren ist Lack ein beliebtes und vielseitiges Versiegelungsmittel. Als preiswertes Dichtmittel leistet es immer noch sehr gute Arbeit beim Schutz von Eisen und Stahl vor Witterungseinflüssen. Wenn es reißt und sich abnutzt, ist es einfach genug, es zu schleifen und erneut aufzutragen. Der Nachteil von Farbe ist ihre eigene Tendenz, bei Witterungseinflüssen zu reißen und abzublättern:Selbst ein kleines Loch in der Versiegelungsschicht kann den darunter liegenden Rostprozess auslösen. Diese Nachteile sind jedoch manchmal über die Verwendung eines Teils oder eines Teils einer regelmäßigen Wartungsroutine beherrschbar.

Pflege von Metallgegenständen

Metall ist ein klassisch langlebiges Material, das verwendet wird, um Objekte und Strukturen zu schaffen, die viele Leben lang halten. Dennoch sind die meisten Metalle immer noch anfällig für Korrosion und elektrochemische Zersetzung. Zu Beginn eines Projekts ermöglicht die Berücksichtigung der Umgebung, in der sich das Metall befinden wird, einem Designer, das Metall auszuwählen, das diesen Bedingungen am besten standhält.

Eisen ist sehr anfällig für Oxidation, und Rost setzt normalerweise beim geringsten Hauch von Wasser und Sauerstoff ein. Im Gegensatz zu anderen Metallen bildet diese Oxidation keine eigene abdichtende Passivschicht. Daher werden bei Eisenmetallen üblicherweise Dichtmittel verwendet. Den richtigen Typ zu finden und das Metall über die Jahrzehnte seiner Verwendung im Auge zu behalten, kann dazu beitragen, die Lebensdauer jedes Metallobjekts zu verlängern.