O stali słów kilka

Stal to stop żelaza z węglem, gdzie udział masowy węgla jest nie większy niż 2,1%. Ze względu na zastosowanie  można je podzielić na:

• konstrukcyjne,
• narzędziowe,
• stale specjalne, odporne na korozję (PN-EN 10020:2003)

Stale odporne na korozję pod względem składu chemicznego stanowią jedną grupę stali stopowych, które zawierają co najmniej 10,5% chromu (Cr) oraz inne dodatki pierwiastków stopowych, takie jak nikiel (Ni), molibden (Mo), azot (N), miedź (Cu), tytan (Ti), niob (Nb), siarka (Si), glin (Al.) oraz wolfram (W). W zależności od głównej dominującej właściwości i zastosowania, można je podzielić  na: żaroodporne, żarowytrzymałe oraz nierdzewne. Dla stali żaroodpornych najważniejszą cechą materiału jest wysoka odporność korozyjna w temperaturze powyżej 500°C, czyli przeciwdziałanie powstawaniu warstwy zgorzeliny na powierzchni materiału i tworzeniu zgorzeliny, która będzie trwale przylegać do powierzchni, chroniąc materiał przed dalszym utlenianiem. Od stali żarowytrzymałych oczekuje się wysokich własności mechanicznych w temperaturze powyżej 500°C, co jest związane z odpornością materiału na pełzanie, czyli powolne odkształcenie pod wpływem naprężeń niższych od granicy plastyczności materiału.

Z kolei główną cechą stali nierdzewnych jest duża odporność na działanie wielu agresywnych środowisk korozyjnych. Odporność tę  omawiana stal zawdzięcza powstaniu na powierzchni metalu cienkiej warstwy tlenków, która charakteryzuje się wysoką odpornością na działanie czynników chemicznych i pasywnością wobec warunków atmosferycznych. Pasywna warstwa tlenków tworzy się na skutek utleniania powierzchni materiału pod wpływem tlenu zawartego w powietrzu lub może powstać w wyniku anodowego utleniania metalu w odpowiednim elektrolicie. Warstwa pasywna tworzy się na powierzchni wszystkich stali odpornych na korozję, a jej powstanie jest uzależnione od stężenia Cr,  które musi wynosić co najmniej 10,5% (czego???) masowych. Wytworzenie trwałego stanu pasywnego powierzchni można przyspieszyć przez zastosowanie pasywacji za pomocą odpowiednich związków chemicznych.

Ważne zasady

 W dostępnej literaturze istnieją zalecenia projektowe (Poradnik GMP. Dobra praktyka wytwarzania środków farmaceutycznych i materiałów medycznych, praca zbiorowa, Wydawnictwo Polfarmed), podające zasady, których należy przestrzegać, aby zaprojektowany wyrób cechował się wysoką higienicznością wykonania. Zalecenia te wskazują na zastosowanie stali nierdzewnej o odpowiedniej chropowatości powierzchni, jako czynnika determinującego czystość i higieniczność powierzchni elementów mających kontakt z produktem kosmetycznym, farmaceutyczny itp. Ponadto powierzchnia musi być wolna od wżerów, fałd i szczelin, a oprócz doboru właściwego jej wykończenia  często stosuje się dodatkowe operacje obróbki,i np. polerowanie elektrolityczne, które znacznie zmniejsza chropowatość. Omawiane zalecenia podają również zasady projektowania dotyczące m.in. łączenia elementów w sposób zapewniający łatwość czyszczenia, brak zalegania itp., przy czym bezwzględnie na wszystkich etapach wytwarzania wyrobów ze stali nierdzewnej należy zadbać o prawidłowe wykonanie operacji spawania wraz z kolejnymi etapami wytrawiania i pasywacji.

Wyróżnia się dwie metody usuwania materiału z powierzchni stali nierdzewnych (naddatki po spawaniu) w celu doprowadzenia blachy do żądanej chropowatości:

• obróbka mechaniczna
• obróbka elektrochemiczna

Obróbka mechaniczna

Mechaniczna obróbka jest najpowszechniej stosowaną metodą wykańczania powierzchni stali nierdzewnych. W tym celu bardzo często wykorzystuje się ścieranie. Szlifowanie jest rodzajem obróbki wykańczającej, polegającej na usuwaniu cienkiej warstwy metalu i ma na celu nadanie odpowiedniego kształtu, dokładności wymiarowej oraz chropowatości powierzchni. Ostateczny efekt, jaki uzyskuje się w wyniku przeprowadzenia operacji szlifowania, zależy od wielu czynników:

• obrabianego materiału – gatunku stali
• typu ścierniwa: materiału podkładu, wielkości ziarna, jego kształtu i twardości
• sposobu utrzymywania ścierniwa: taśma, krążek, pasta
• ilości operacji wykończeniowych
• użytych narzędzi do obróbki
• parametrów skrawania i zastosowanego nacisku
• umiejętności pracownika

W zakładach produkcyjnych o wysokim stopniu zautomatyzowania procesu szlifowania, część z powyższych czynników ma mniejsze znaczenie, choć nie można marginalizować żadnego z nich. Odpowiednie dobranie parametrów szlifowania zawsze zostaje po stronie operatora maszyny szlifującej.

Obróbka ścierna stali nierdzewnych wymaga znajomości i przestrzegania pewnego rygoru technologicznego, natomiast gwarancją kwasoodporności stali jest warstwa pasywna. Należy  stosować właściwe materiały szlifierskie niezawierające wtrąceń żelaza. Cząsteczki żelaza pochodzące z obróbki mechanicznej, cięcia termicznego lub z tarcz szlifierskich zanieczyszczonych stalami niestopowymi korodują w wilgotnym powietrzu i naruszają warstwę pasywną, ograniczając tym samym odporność korozyjną stali. Ponadto nie należy, wręcz zabronione jest używanie materiałów, które zostały użyte wcześniej do stali niestopowej.

Obróbka elektrochemiczna

Proces elektrochemicznego polerowania stali zabezpiecza dokładnie całą powierzchnię polerowanego przedmiotu (łącznie z wgłębieniami w strukturze powierzchni) oraz nadaje przedmiotowi poddanemu obróbce estetyczny wygląd. Jest to metoda powszechnie wykorzystywana do obróbki powierzchni elementów w przemyśle mleczarskim, mięsnym, farmacji, narzędzi chirurgicznych i dentystycznych, a także podczas obróbki elementów dekoracyjnych i użytkowych (takich jak balustrady, ogrodzenia) wykonywanych ze stali szlachetnych. Polerowanie elektrochemiczne powoduje równomierną pasywację całej powierzchni polerowanego elementu, który można prowadzić w różnych kąpielach. Przedmiot zanurzony jest w wannie i podłączony do ujemnego bieguna źródła prądu stałego (anody) (ryc.1). Wewnątrz wanny znajdują się również katody, które podłączone są do dodatniego bieguna źródła prądu. Katody i anody zanurzone  w roztworze tworzą kompletne ogniwo elektryczne. Zmiany struktury powierzchni, jakie następują podczas procesu polerowania elektrochemicznego, przedstawiono na ryc. 2. Zjawisko usuwania różnych ilości metalu z powierzchni materiału jest bardzo ważne w procesie stępiania ostrych krawędzi przedmiotu poddanego obróbce. Ponadto w trakcie omawianego procesu zachodzi również zjawisko pasywacji.

Elektrochemiczne polerowanie usuwa wierzchołki nierówności rodzimego metalu oraz wszelkie zanieczyszczenia spowodowane poprzedzającymi procesami: tlenki metalu z narzędzi formujących, ziarna ścierniwa po szlifowaniu, mechanicznie naniesiona mikrowarstewka metalu po obróbce szczotkami metalowymi (patrz ramka). Zanieczyszczenia takie mogą być źródłem korozji lub przebarwień. Zaletą tej metody jest polerowanie powierzchni niedostępnych dla metod polerowania mechanicznego, co eliminuje problem mycia zabrudzonych powierzchni oraz utrzymania higieny poprzez stosowanie dodatkowych środków (aseptyki).

Wymienione zalety elektrochemicznego polerowania zadecydowały o zastosowaniu tej metody jako obróbki wykończeniowej dla:

• aparatury chemicznej i naukowej
• zbiorników, mieszalników i aparatów procesowych dla przemysłu farmaceutycznego, kosmetycznego oraz chemicznego
• urządzeń pracujących w trudnych warunkach, dla których utrzymanie higieny ma zasadnicze znaczenie, np. w pozyskiwaniu i przetwórstwie mleka, środowisko wysoce korozyjne
• narzędzi chirurgicznych
• sprzętu gospodarstwa domowego
• przedmiotów użytkowych i dekoracyjnych
  
  To nie wszystko

Przedstawione zagadnienia wykańczania powierzchni są tylko wybranymi metodami, stosowanymi na szeroką skalę w przemyśle wytwarzania zbiorników, mieszalników i aparatów przemysłowych. W zdecydowanej większości wymagane wykończenie powierzchni zapewniane jest poprzez obróbkę mechaniczną. Właściwe dobranie parametrów procesu szlifowania zapewnia odpowiednie wykończenie na poziomie mikroskopowym (odpowiednia chropowatość powierzchni) jak i pod względem makroskopowym (wygląd, estetyka). Szerokie stosowanie szlifowania spowodowane jest względami ekonomicznymi, gdyż jest tańsze niż użycie specjalistycznej chemii do przeprowadzenia procesu elektropolerowania. Ostateczną decyzję co do sposobu obróbki powierzchni zbiorników zawsze podejmuje inwestor, w porozumieniu i ścisłej współpracy z producentem urządzenia.

Ryc. 1. Proces elektrochemicznego polerowania (źródło: Electropolishing PL, Euro Inox)

Ryc. 2. Obraz mikroskopowy powierzchni przed i po procesie elektropolerowania

(źródło: Electropolishing PL, Euro Inox)

Zalety elektrochemicznego polerowania:

• pozwala uzyskać doskonałe własności antykorozyjne

• jest tańsze niż polerowanie mechaniczne

• nadaje estetykę - połysk i równomierność barwy podobna do powierzchni wypolerowanego chromu

• ułatwia i podnosi skuteczność mycia oraz pomaga utrzymać w czystości przedmioty poddane polerowaniu poprzez skrócenie do 50% czasu mycia (mikrodolinki i mikrowierzchołki powierzchni niepolerowanej stanowią doskonałe zakotwiczenie dla osadów soli, zabrudzeń, bakterii, grzybów, pleśni itp.)

mgr inż. Łukasz Wiśniewski,

Produktmanager ds. Farmacji,

Schwarte-Milfor Sp. z O. O.

Al. Obrońców Tobruku 3A
Olsztyn, Polska