A comprehensive investigation of pre-patination and bio-passivation of weathering steel by electrochemical, microstructural and aesthetical analysis

Weathering steel (WS) is a low alloy steel that, thanks to its peculiar composition, forms a compact layer of stable corrosion products, called patina, slowing down atmospheric corrosion until reaching a steady state of 5-6 µm/y. The patina evolves during its lifetime, assuming a well-looking appearance and a brown-orange color. This feature, together with corrosion resistance and with the typical mechanical properties of steels, makes WS an appealing material in the fields of architecture, civil engineering and sculpture. However, its use shows some issues. One is that some years are required for having the patina formed, during which the aspect is not the desired one. A second issue is that there are specific environmental and geometrical requirements for the formation of a protective patina: exposure to wet-dry cycles and sunlight, absence of dangerous chemicals such as SOx, NOx and Cl-, absence of sheltered portions, absence of interstices and crevices in the design of the structure. Their negligence may lead to poor patinas, non-protective and bad looking. For reducing the time-to-passivation, different pre-patination treatments are used. For increasing resistance to improper exposures, instead, WS may be protected with coatings having similar characteristics to those used for metallic surfaces conservation. These processes are often artisanal recipes used by blacksmiths, conservators or artists. Only a few data are available in literature about their effect, mainly on the long term. An innovative solution for patinas stabilization, instead, exploits the ability of the Beauveria bassiana fungus at converting unstable rust into metal oxalates. In this study, six different finishings of A-242 grade WS have been studied in a comprehensive way, including aesthetical, compositional, microstructural and electrochemical testing. Then, a long-term field exposure of these materials has started, involving an urban site in Milan and a marine site in Bonassola (SP). After four months, a repetition of the characterization has showed hints about materials future evolution. Similar analyses have been done on some WS surfaces one year after their cleaning and bio-passivation with the abovementioned fungus, for evaluating the effects of these treatments on the long-term. Results underline that pre-patination can provide a nice aesthetical aspect to WS, but not a relevant corrosion resistance, which apparently develops only with time. Coatings, instead, appear to be more effective, but present durability issues caused by the weathering of the coating materials used. Cleaning seems to be beneficial, while bio-passivation effects, despite being initially promising, present a very high heterogeneity and their benefits are apparently lost after one year.

Gli acciai patinabili (AP) sono acciai basso-legati che, grazie alla loro peculiare composizione, formano uno strato compatto di prodotti di corrosione, chiamato patina, rallentando la corrosione atmosferica fino ad uno stato stazionario di 5-6 µm/a. La patina evolve nel corso della sua vita, assumendo un aspetto gradevole e un colore bruno-arancio. Ciò, con le proprietà meccaniche tipiche degli acciai e la resistenza alla corrosione, rende l’AP un materiale appetibile per usi in architettura, in ingegneria civile e nei beni culturali. Il suo utilizzo presenta tuttavia alcuni problemi. Innanzitutto, la patina necessita di alcuni anni per formarsi, durante i quali l'aspetto non è quello desiderato. Inoltre, la formazione di una patina protettiva richiede specifici requisiti ambientali e geometrici: esposizione a cicli di asciutto-bagnato e alla luce solare, assenza di sostanze chimiche pericolose come SOx, NOx e Cl-, e, per quanto riguarda la progettazione, assenza di porzioni riparate, interstizi e fessure. La loro negligenza può produrre patine scadenti, non protettive o poco gradevoli. Diversi trattamenti di pre-patinatura sono adottati per ridurre il tempo di passivazione, mentre la resistenza ad ambienti sfavoravoli può essere aumentata applicando rivestimenti simili a quelli utilizzati per la conservazione delle superfici metalliche. Questi processi seguono ricette artigianali create da fabbri, artisti o restauratori. In letteratura sono disponibili solo pochi dati circa i loro effetti, soprattutto a lungo termine. Una soluzione innovativa per stabilizzare le patine, invece, sfrutta la capacità del fungo Beauveria bassiana di convertire ruggine instabile in ossalati metallici. In questo studio, sei diverse finiture dell’AP A-242 sono state studiate in modo completo, usando test estetici, composizionali, microstrutturali ed elettrochimici. È stata quindi avviata un'esposizione sul campo a lungo termine di questi materiali, sia in un sito urbano a Milano che in uno marino a Bonassola (SP). Dopo quattro mesi, una ripetuta caratterizzazione ha mostrato indizi sull'evoluzione futura dei materiali. Test analoghi effettuati su alcune superfici di AP pulite e bio-passivate con il suddetto fungo hanno invece permesso di valutare gli effetti a lungo termine di questi trattamenti. I risultati mostrano che la pre-patinatura può fornire un aspetto gradevole all’AP, ma non una rilevante resistenza alla corrosione, che sembrerebbe svilupparsi solo con il tempo. I rivestimenti, invece, sembrano più efficaci, ma hanno problemi di durabilità causati dall’invecchiamento dei materiali utilizzati. La pulizia sembra essere benefica, mentre gli effetti della bio-passivazione, nonostante siano inizialmente promettenti, sono molto eterogenei, e i loro benefici sembrano perdersi dopo un anno.