Adhesion and Composition of Flash Rust Formed in Humid Air

Abstract

En teknikk som har blitt populær for vedlikehold av belegg i skipsindustrien i nyere tid, er ultrahøytrykk vannjetting. En av ulempene med denne metoden er at den kan føre til at metallet begynner å danne flash rust. Flash-rust er en forekomsten av rust som dannes på en ståloverflate så raskt som etter noen få timers eksponering til fuktig miljø eller etter at vann har blitt påført ståloverflaten. Siden ultrahøytrykk vannjetting har blitt tatt i bruk med høyere hyppighet for vedlikehold av belegg på skip de siste årene, og at det er mangel på informasjon når det kommer til flash rusts kjemiske sammensettning og evne til å danne heft. Har denne oppgaven blitt utført med mål om å skaffe informasjon om flash-rusts og dens egenskaper. Analysen av flash rusts kjemiske sammensetningen, morfologien og evne til å danne heft, har blitt utført ved å bruke instrumenter som scanning electron microscope, stereomikroskop, fourier transformation infrared spectroscope og optisk mikroskop.

Fremstillingen av prøvene som er analysert i denne oppgaven er utført av firmaet Jotun. Prøvene som ble brukt for analyse av flash-rust, ble av Jotun forbehandlet med en av følgene metoder; ingen forbehandling, høytrykksspyler eller vannslange. Etter at prøvene var forbehandlet med en av de tre metodene ble de enten korrodert i Ascott salttåkekammer (med destillert vann) eller i klimakammer. Eksponeringstiden i salttåkekammeret var enten en, tre eller syv dager og eksponeringstiden i klimakammer var to dager.

Ved visuell inspeksjon av prøven korrodert i syv dager i ascott salttåkekammeret, ble det funnet at rustlaget dannet hadde farge og mengde lik heavy flash-rust, i henhold til ISO 8501-4. Rusten som var dannet for de syv dagers korroderte prøvene, var løst festet til overflaten og prøvene viste ingen områder uten rust. De tre dagers korroderte prøvene ble klassifisert som middels flash-rust på grunn av mengden rust som ble dannet. Mengden rust som ble dannet på disse prøven hadde ikke dekket hele overflaten og det var små områder på overflaten av prøven uten rust. Flash-rusten som ble dannet på de tre dagers korroderte prøvene kunne også ha blitt klassifiseres som heavy flash-rust på grunn av fargen på rusten. Prøvene som hadde blitt eksponert en dag i salttåkekammeret hadde dannet rust som tilsvarer light flash-rust, med untak av prøven som ble forbehandlet med høytrykksspyler. Denne prøven hadde dannet et rust lag med samme mengde som de tre dagers eksponerte prøvene, og ble derfor i istedenfor klassifisert som medium flash rust. Prøvene som ble korroder i klimaskap i to dager, hadde dannet mindre rust enn prøvene korroderte i en dag i Ascott salttåkekammeret. Prøvene korrodert i klimaskapet ble derfor klassifisert som light flash-rust.

Tverrsnittsanalysen utført med optiske mikroskop, resulterte i problemer med gjenkjenning av det tynne rustlaget dannet på noen av prøvene. På grunn av optisk mikroskops dårlige dybdeskarphet ble det istedenfor brukt SEM for tverrsnittsanalyse. Rusten dannet på prøvene korroderte i en og tre dager, ble kun funnet i gropene på overflaten til prøvene. For de syv dagers korroderte prøvene, hadde rusten dannet med relativ tykk tykkelse på overflaten av prøven. Rusten som ble dannet på de syv dagers korroderte prøvene, hadde dekt det meste av overflaten til prøven. Sett i SEM var det bare noen få områder som ikke hadde dannet rust. Morfologianalysen fra SEM, viste at størrelsen og mengden av jernoksidene økte ved økning av eksponeringstiden i salttåkekammeret. I tillegg ble det gjort et forsøk på å karakterisere jernoksidene ved å analysere morfologi av rusten i SEM. Karakteriseringen av jernoksid ved bruk av SEM, ble utfordrende å utføre på grunn av den lave forstørrelsen brukt for anskaffelse av bildene i SEM. Forstørrelsen på bilde brukt, gjorde det vanskelig å tyde hvordan formene og morfologien til de dannede jernoksidene så ut.

Forsøket på å klassifisere jernoksider etter farge ble ikke utført som ønsket. Grunnen til at klassifiseringen av jernoksider ikke ble utført som ønsket, var på grunn av at objektivet i FTIR brukte svart-hvite bilde for å velge området ønsket analysert. Svart-hvit bilde gjorde det umulig å velge området ønsket analysert basert på farge. Dette gjorde det også umulig å finne et forhold mellom farge og jernoksid. I stedet ble det brukt et lysmikroskop for å skaffe bilder for fargekarakterisering av jernoksidet. Karakteriseringen av jernoksid basert på farge, ble funnet som en upålitelig metode, siden metoden er hovedsakelig basert på gjetting og ens forståelse av farger.

FTIR ble brukt til å finne jernoksidinnholdet i rustlaget for de forskjellige prøvene. Fra FTIR-spektrene ble det funnet at det vanligste jernoksidet dannet på prøver med flash rust, var lepidocrocite. Goethite ble også funnet med sterk intensitet i spektrene for noen av prøven. I tillegg ble det funnet lav intensitet i spektrene av maghemitt, magnetitt og hemantitt. Etter å ha samlet alle resultatene ble det anslått at prøvene korrodert i syv og tre dager måte behandles før de blir malt. Prøvene korrodert i en og to dager ble anslått som gode å male uten behandling.

A technique that has become popular for maintenance of coating in the ship industry in recent time is ultra high pressure water jetting. One of the drawbacks with this method is that it can cause the metal to flash rust. Flash rust is the occurrence of rust forming on a steel surface as quick as after a few hours of exposure to a humid environment or after the steel surface has been exposed to water. Due to the more frequent use of ultra high pressure water jetting in the coating industry, and the lack of research made on flash rust´s chemical composition, morphology and adhesive properties. This thesis is carried out for further investigation on flash rust composition and adhesive properties. The analysis of the chemical composition, morphology and adhesive properties, have been carried out with the use of scanning electron microscope, stereo microscope, fourier transformation infrared spectroscope and optical microscope.

The sample preparation of the samples analysed in this thesis is carried out by the company Jotun. The samples used for the flash rust analysis have, as received, been either not pre-treated or pre-treated with pressure washer or water hose. After the samples were pre-treated with one out of the three methods, they were either corroded in the Ascott salt spray chamber (distilled water used) for one, three and seven days, or corroded in the climate chamber for two days.

By visual inspection of the samples corroded for seven days in the Ascott salt spray chamber, it was found that the rust layer formed had obtained color and amount equal to heavy flash rust according to ISO 8501-4. The rust was loosely adhered to the surface of the samples, and no areas of the samples surface was viewed without rust. The three days corroded samples were classified as medium flash rust due to the amount of rust formed. The rust formed after three days exposure, had not covered the whole surface of the sample, and there was small areas without corrosion products. The flash rust formed on the three days corroded samples could also be classified as heavy flash rust due to the color of the rust and the morphology showed in the SEM. The one day corroded samples were classified as light flash rust. The sample pre-treated with pressure washer and corroded for one day was an exception and was classified as medium flash rust. This because of the amount of rust formed was equal to the three days corroded samples. The samples corroded in the climate chamber for two days had obtained less rust than the samples corroded for one day in the Ascott salt spray chamber and the rust formed on these samples was equal to light flash rust.

The cross-section analysis carried out with the optical microscope, resulted in problems with recognition of the thin rust layer formed on some of the samples. Because of the optical microscope poor depth of focus, a SEM was applied for cross-section analysis of the embedded samples. The rust formed on the samples corroded for one and three days, was found to only appear in the pits of the samples. For the seven days corroded sample the rust had formed with great thickness and had covered the most of the surface of the steel. The morphology analysis from the SEM, showed that the size and amount of iron oxide increased with a great amount, when the exposure time to the Ascott salt spray chamber was increased. In addition, it was made an attempt to characterise the iron oxides by its morphology in the SEM. This was unfortunately not successful, due to the low magnification used for obtaining the images in the SEM. The low magnification used made it extremely hard to clearly see the shapes and morphology of the iron oxides formed.

The attempt on classifying iron oxides by color was not carried out as wanted, due to the FTIR microscope for choosing area of interest used black and white image. This made it impossible to know the color of the area analysed by the FTIR. Since it was not possible to choose area of interest based on color, it was impossible to find a consistent relationship between color and iron oxide. Instead a stereo microscope was applied for obtaining images for color characterisation of the iron oxide. The characterisation of iron oxides by its color was found as an unreliable method, since it is mostly based on guessing and ones understanding of colors.

The FTIR was used to determine the iron oxide content of the rust layer for the various samples. From the FTIR spectra it was found that the most common iron oxide to form in these laboratory made flash rusted samples, was lepidocrocite. Goethite was also found with strong peaks for some of the samples. In addition it was found some low intensity peaks of maghemite, magnetite and hematite. After collecting all the results, it was estimated that the samples corroded for seven and three days needed to be treated before applying coating. The samples corroded for one and two days were assumed to have low enough levels of rust for coated to be applied without any treatment.