Paslanmaz Çelik Neden Paslanmaz? Görünmez Kalkan: Pasivasyon Tabakası

Paslanmaz çeliği paslanmaz yapan sır nedir? Krom ve oksijenin aşkından doğan "Pasivasyon Tabakası"nı, kendi kendini onaran bu nano-teknolojik mucizeyi malzeme bilimi gözüyle inceliyoruz.

Demir, doğadaki en kullanışlı metallerden biri olsa da büyük bir zayıflığı vardır: Oksijene olan ölümcül aşkı. Demir, nemli bir ortamda oksijenle buluştuğunda "Demir Oksit" (Fe2O3) yani bildiğimiz adıyla pas oluşturur. Bu pas, metalin yüzeyinden pul pul dökülür, döküldükçe alttaki taze metal açığa çıkar ve süreç metal tamamen yok olana kadar devam eder.

Ancak mutfağınızdaki çatal-bıçaklara, cerrahın neşterine veya devasa gökdelenlerin kaplamalarına bakın. Yıllarca suya, havaya ve asitlere maruz kalmalarına rağmen ışıl ışıl parlamaya devam ederler.

Peki, paslanmaz çeliği doğanın bu kaçınılmaz kanunundan muaf tutan sihir nedir? Cevap, gözle göremeyeceğiniz kadar ince, kendi kendini onarabilen bir kimyasal kalkanda, yani Pasivasyon Tabakası'nda saklıdır.

Sihirli Element: Krom (Chromium)

Paslanmaz çelik aslında bir "çelik" türüdür, yani ana maddesi demir ve karbondur. Ancak onu sıradan çelikten ayıran şey, alaşımın içine eklenen Krom (Cr) elementidir.

Malzeme bilimi literatürüne göre, bir çeliğin "paslanmaz" sınıfına girebilmesi için ağırlıkça en az %10.5 oranında Krom içermesi gerekir. Bu, kritik eşiktir. Bu oranın altındaki alaşımlar paslanabilirken, bu oranın üzerindeki alaşımlar bambaşka bir kimyasal davranış sergiler.

Pasivasyon Tabakası: Görünmez Bir Kahraman

Sıradan karbon çeliği oksijenle temas ettiğinde Demir Oksit (Pas) oluşur. Bu pas gözeneklidir, gevşektir ve nemin metalin derinliklerine inmesine izin verir. Kısır bir döngüdür.

Paslanmaz çelikte ise senaryo tamamen değişir. Çeliğin içindeki Krom, demirden çok daha "reaktif" bir elementtir (oksijene daha açtır). Havadaki oksijen metale yaklaştığında, demirden önce krom ile reaksiyona girer.

Bu reaksiyon sonucunda yüzeyde Krom Oksit (Cr2O3) adı verilen bir tabaka oluşur. İşte tüm sır buradadır. Bu tabakanın özellikleri şunlardır:

• İnerttir (Pasif): Başka maddelerle kolay kolay reaksiyona girmez.
• Sıkıdır (Non-porous): Demir oksidin aksine çok yoğundur, oksijenin veya suyun metalin altına geçmesini engeller.
• Çok İncedir: Kalınlığı sadece birkaç nanometredir (bir insan saç telinden binlerce kat daha ince). Bu yüzden ışığı geçirir ve biz metalin kendi parlaklığını görürüz.
• Yapışıktır: Metale atomik düzeyde çok güçlü tutunur, dökülmez.

Bilim insanları bu olaya "Pasivasyon" (Passivation) adını verirler. Metal, çevresine karşı "pasif" hale gelmiştir.

Wolverine Etkisi: Kendi Kendini Onarma (Self-Healing)

Pasivasyon tabakasının en büyüleyici özelliği, kendi kendini iyileştirebilmesidir. Boyalı bir demir kapıyı çizerseniz, boya kalkar ve alttaki demir paslanmaya başlar.

Ancak paslanmaz çeliği çizerseniz veya keserseniz;

• Yüzeydeki pasivasyon tabakası bozulur.
• Alttaki taze alaşım açığa çıkar.
• Alaşımın içindeki krom, havadaki oksijenle milisaniyeler içinde tekrar buluşur.
• O noktada anında yeni bir Krom Oksit tabakası oluşur.

Yani paslanmaz çelik, oksijen olduğu sürece kendi yaralarını saran, yaşayan bir malzeme gibidir.

Paslanmaz Çelik Türleri: 304 ve 316 Farkı

Paslanmaz çeliğin yüzlerce türü vardır ama en sık duyduğumuz ikisi AISI 304 ve AISI 316'dır.

• 304 Kalite: En yaygın paslanmaz çeliktir (Mutfak eşyaları, ev aletleri). İçinde %18 Krom ve %8 Nikel bulunur. Standart atmosfer koşulları için mükemmeldir.
• 316 Kalite: "Denizci sınıfı" paslanmazdır. İçine %2-3 oranında Molibden (Molybdenum) eklenmiştir. Neden mi? Çünkü klorür iyonları (tuzlu su), krom oksit tabakasının baş düşmanıdır. Molibden, bu tabakayı tuzlu suya ve asitlere karşı güçlendirir.

> Mühendislik Notu: Bir gemi pervanesi yapacaksanız 304 kullanamazsınız; tuzlu su pasivasyon tabakasını deler (pitting corrosion) ve pervane çürür. 316 kullanmak zorundasınız.

> Paslanmaz Çelik Hiç mi Paslanmaz?

Adı "Paslanmaz" olsa da, teknik olarak "Paslanmaya Karşı Dirençli" demek daha doğrudur. Paslanmaz çelik de paslanabilir, ancak bu çok zorlu koşullarda gerçekleşir:

• Oksijensiz Ortam: Pasivasyon tabakasının oluşması için oksijen şarttır. Oksijenin ulaşamadığı dar yarıklarda paslanma başlayabilir.
• Klorür Saldırısı: Deniz suyu veya çamaşır suyu gibi yüksek klorürlü ortamlar, pasivasyon tabakasını bölgesel olarak delip "Çukurcuk Korozyonu" (Pitting) yaratabilir.
• Karbon Çeliği Bulaşması: Paslanmaz çeliği, daha önce normal demir kesilmiş bir testere ile keserseniz, yüzeye demir partikülleri bulaşır. Bu partiküller paslanır ve paslanmaz çeliğin yüzeyinde leke bırakır (buna "yüzey korozyonu" denir).

Sonuç: Kimya Mühendisliğinin Zaferi

Paslanmaz çelik, insanoğlunun doğa ile savaşmak yerine, doğanın kurallarını (kimyayı) kullanarak geliştirdiği en zarif çözümlerden biridir. Sadece %10.5 oranında krom ekleyerek, paslanan bir metali yüzyıllarca dayanacak bir malzemeye dönüştürmek, metalurji biliminin bir zaferidir.

Bir dahaki sefere çelik tencerenize veya saatinizin kordonuna baktığınızda, orada sadece parlak bir metal değil, oksijenle metalin atomik düzeydeki sürekli dansını ve sizi koruyan o görünmez kalkanı hatırlayın.