Рыжая сталь. Коррозия металлов и методы борьбы с ней

Каждый из нас хотя бы раз в жизни сталкивался с ржавым металлом. При виде стальных изделий или металлоконструкций, полностью или частично покрытых отложениями различных оттенков красного и оранжевого цветов, у простого обывателя сразу же возникают мысли о их ненадежности и потенциально коротком сроке эксплуатации. Увидев на металлобазе горячекатаный прокат, уже имеющий рыжеватую поверхность, первым желанием клиента будет отказаться от такой покупки. И многие даже не догадываются, насколько разнообразны причины, виды и последствия коррозионных процессов. Подобные воздействия часто являются неотъемлемой частью операций по производству черных и цветных металлов и сплавов, а также могут быть связаны с особенностями их транспортировки и хранения, условиями переработки и дальнейшей эксплуатации металлоизделий.

В данной статье мы рассмотрим, что такое коррозия металлов и как она может влиять на качественные характеристики металлопродукции. Попробуем разобраться, какие поверхностные отложения на стальных изделиях являются ржавчиной, и все ли они опасны при дальнейшем использовании конструкций и изделий. А также ответим на вопросы, связанные с защитой металлов и сплавов от коррозии.

Виды коррозии металлов

Для начала немного теории, которая поможет понять, где и каким образом возникает коррозионное влияние на структуру и свойства изделий.

Коррозия – это самопроизвольное разрушение металлов и их сплавов под воздействием окружающей среды, которое может приводить к ухудшению механических свойств и других качественных характеристик продукции. По статистике, около 10-12% железной продукции в мире ежегодно становится непригодной для дальнейшего использования вследствие разрушительного влияния коррозионных процессов.

В зависимости от механизма протекания коррозия металлов и сплавов подразделяется на два основных вида:

• Химическая коррозия происходит под влиянием на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (веществ, не проводящих электрический ток – органических соединений, эфира и др.), в том числе при высоких температурах;
• Электрохимическая коррозия вызвана действием кислот, щелочей, солей и других веществ, проводящих ток (электролитов). К данному виду, среди прочих, относятся почвенная и атмосферная коррозия.

Причины коррозии металлов могут быть самыми разными, однако ключевая состоит в термодинамической неустойчивости большинства металлов и сплавов (за исключением благородных и высоколегированных) в условиях атмосферы или других коррозионных сред. Железо и низколегированные стали также являются нестойкими к коррозионному воздействию, поскольку образующаяся в результате такой реакции поверхностная оксидная пленка является недостаточно плотной и не защищает более глубокие слои.

Скорость и особенности корродирования зависят как от состава самого материала, так и от характера среды и кинетики процесса. Исходя из этих параметров, типы коррозии металлов подразделяют также:

• По природе и условиям коррозионной среды – атмосферная, морская, подземная, биокоррозия, коррозия под воздействием блуждающих токов, контактная;
• По характеру поражения – равномерная (общая коррозия) и локальная (питтинговая/ точечная, язвенная, межкристаллитная, щелевая и др.).

Теперь, когда мы в первом приближении ознакомились с разнообразием коррозионных воздействий, разберемся, что такое ржавчина и в чем состоит процесс ее образования.

Ржавление – это одна из разновидностей электрохимической коррозии металлов, которая состоит в окислении железа и железосодержащих сплавов под влиянием атмосферного кислорода, углекислого газа и влаги. Такое окисление сопровождается возникновением на поверхности полуфабрикатов и готовых изделий видимых продуктов коррозии – ржавчины. Эти продукты в основном состоят из гидратированных оксидов железа и имеют бурый цвет. Поверхностная ржавчина имеет достаточно рыхлую структуру, не защищает более глубокие слои изделия от дальнейшего взаимодействия с окружающей средой и способствует их дальнейшему разрушению.

Окалина ≠ ржавчина

Бывает так, что горячекатаные стальные изделия сразу после охлаждения на прокатном стане имеют красноватую поверхность. Подобный оттенок также связан с коррозионными процессами, однако к ржавлению имеет достаточно отдаленное отношение. Горячекатаный прокат всегда покрыт слоем окалины, которая возникает именно при высокотемпературной обработке.

Окалинообразование – формирование продуктов окисления на поверхности металлических изделий при нагреве в окислительной газовой среде. Такой процесс еще называют высокотемпературной коррозией и относят к ее химическим разновидностям (в отличие от атмосферной коррозии, которая является электрохимической).

Продукты окисления при таком высокотемпературном воздействии называются окалиной и в случае со стальными изделиями состоят из оксидов железа – FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ (в легированных сталях в состав окалины также входят сложные оксиды других металлов). Окалина бывает двух видов:

• Первичная, которая образуется при нагреве полуфабриката перед деформацией. При последующей горячей прокатке такая окалина удаляется гидросбивом или в специальных клетях – окалиноломателях;
• Вторичная, которая возникает в процессе горячей деформации и последующего охлаждения проката. Вторичная окалина после завершения прокатки остается на поверхности изделия и впоследствии может быть удалена путем дополнительной обработки: механической (дробеструйная, дробеметная, фрезерование, абразивная очистка и т.д.), химической (травление в растворах кислот и щелочей) или комбинированной.

Окалина имеет переменный состав, который зависит от параметров нагрева и охлаждения металлических изделий. При преобладании в поверхностных оксидных слоях гематита (Fe₂O₃) металлопрокат будет иметь характерный красновато-рыжий цвет. Несмотря на то, что этот достаточно плотный слой окислов в определенной степени защищает основной металл от воздействий окружающей среды, именно такую окалину на поверхности горячекатаных изделий часто путают с ржавчиной - продуктом атмосферной коррозии.

Защита от коррозии

В последние десятилетия мировые компании и научно-исследовательские организации существенно продвинулись в решении вопроса антикоррозионной защиты металлоизделий. Разработанные способы защиты металлов от коррозии позволяют повысить их стойкость не только за счет добавления большого количества легирующих элементов в состав сплавов (что существенно повышает их стоимость), но и путем применения различных специальных технологий обработки готовых металлоконструкций (от окрашивания до электрохимической защиты). Кратко пройдемся по ключевым особенностям этих методов, применяемых к стальным изделиям.

Легирование стали

Чтобы повысить сопротивляемость стали коррозионным процессам, в ее состав вводятся химические элементы, способствующих образованию на поверхности плотных и прочных защитных пленок, препятствующих контакту основного металла с окружающей средой. Например, для повышения окалиностойкости (устойчивости против газовой коррозии при температурах выше 550 °С) в сталь добавляют хром (Cr), алюминий (Al) и кремний (Si). При 25% хрома и 5% алюминия сталь становится окалиностойкой до 1300 °С.

Для сталей, работающих в условиях электрохимической коррозии, их химический состав выбирают в зависимости от той среды, в которой они будут использоваться. К таким материалам относят хромистые (содержат Cr в количестве 12-28%), хромоникелевые (обычно до 20% хрома и 15% никеля), а также другие сложнолегированные коррозионностойкие марки. В качестве примеров подобных нержавеющих сталей можно упомянуть 40Х13, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10, 10Х14Г14Н4Т, 10Х17Н13М2Т, которые сочетают высокую коррозионную стойкость с достаточной технологичностью, что обусловило их широкое применение в изготовлении металлоконструкций и аппаратов, работающих в особо сложных условиях.

Для изделий, от которых требуется повышенная стойкость против атмосферной коррозии, также разработаны более экономно легированные марки стали, о которых мы поговорим в отдельном разделе данной статьи.

Защитные покрытия

Для отдельных сфер применения, где коррозию металлов и сплавов вызывает умеренное агрессивное воздействие и использование нержавеющих материалов экономически нецелесообразно, хорошей альтернативой являются металлоизделия с защитными покрытиями. В данном случае защитный слой должен быть плотным и прочным, при этом обеспечивать эффективную изоляцию основного металла от окружающей среды. К таким покрытиям относятся:

1. Металлические (цинк, алюминий, цинк-алюминий, алюмоцинк, алюминий-кремний, медь, и т.д.);
2. Неметаллические неорганические (эмали, соединения металлов, фосфора и пр.);
3. Неметаллические органические (покрытия на основе пластмасс, смол и полимеров).

Защитные покрытия могут наноситься на стальной прокат в заводских условиях (рулонный оцинкованный прокат, листовой прокат с полимерным покрытием, омедненная проволока и т.д.) или уже на детали и конструкции на финишном этапе их изготовления, а также на этапе монтажа и эксплуатации.

Управление составом коррозионной среды

В условиях промышленных предприятий эффективным методом снижения коррозионного воздействия является корректировка самой агрессивной среды путем:

1. Удаления из состава среды или снижение концентрации компонентов, непосредственно вызывающих коррозию металла;
2. Введение в состав среды компонентов (ингибиторов), существенно снижающих скорость коррозионных процессов.

Применение средств электрохимической защиты

Этот метод предназначен для защиты готовых изделий, оборудования и сооружений от электрохимической коррозии путем подачи на них постоянного тока и управления их электрическим потенциалом. В зависимости от коррозионных условий металлоконструкция может выступать либо катодом (катодная защита), либо анодом (анодная защита).

Катодная защита от коррозии широко применяется для подземных и подводных сооружений и коммуникаций, магистральных трубопроводов, зданий, дорожных элементов, автомобильной и другой техники. Часто такую защиту совмещают с нанесением антикоррозионных покрытий. Анодная защита используется прежде всего в химической отрасли для изделий, работающих в контакте с кислотами, минеральными удобрениями, аммиаком и т.д.

Патина – полезная ржавчина

Итак, мы уже выяснили, что все чугуны, углеродистые и низколегированные стали, которые не являются нержавеющими, корродируют под воздействием атмосферного кислорода и влаги с образованием на поверхности изделий пористых и рыхлых отложений - ржавчины. Такой поверхностный слой не является достаточной преградой при дальнейшем контакте окружающей среды со стальной основой, поэтому ржавление может продолжаться до полного разрушения металлоконструкции или изделия. Но можно ли что-то сделать, чтобы сама ржавчина стала барьером для развития коррозионных процессов?

Ответ на этот вопрос был дан еще в 30-х годах прошлого столетия, когда американские металлурги компании US Steel впервые получили специальную низколегированную сталь с повышенной стойкостью к атмосферной коррозии, которая впоследствии была запатентована и сейчас известна всему миру как COR-TEN (кортен, кортеновская сталь). Помимо этого известного бренда в настоящее время атмосферостойкие стали с аналогичными характеристиками производятся в соответствии с техническими требованиями ряда международных стандартов. Среди них:

• Марки S235J0W, S235J2W, S355J2W, S420J4W и другие по европейскому стандарту EN 10025-5 и его украинскому аналогу ДСТУ EN 10025-5;
• Grade A, Grade B, Grade C и Grade К по американскому ASTM A588/ A588M;
• Type 1 по американскому стандарту ASTM A242/ A242M.

Суть технологии состоит в том, что при выплавке стали в расплав добавляются в небольших количествах медь (обычно не более 0,55%), хром (не более 1,3%), в отдельных случаях – никель, молибден, фосфор, ниобий и другие элементы. Благодаря особой системе легирования, при контакте изделий из такой стали с атмосферой на их поверхности в процессе ржавления образуется патина – плотный слой оксидов специфического состава, который в дальнейшем и защищает основной металл от коррозии.

Первоначально такая сталь разрабатывалась с целью изготовления вагонов для угля, которые обладали бы повышенной сопротивляемостью в условиях общей агрессивности окружающей среды (в морских портах, карьерах, на промышленных предприятиях). Однако разработка оказалась настолько удачной, что сейчас атмосферостойкую сталь можно встретить в виде несущих и декоративных элементов зданий, мостов и эстакад, резервуаров, арт-объектов и скульптур. Среди самых известных сооружений из кортеновской стали можно упомянуть мост New River Gorge Bridge (США), административное здание North Shanghai Gas Company (Шанхай, Китай), бывшую штаб-квартиру компании Nippon Steel (Токио, Япония) и головной офис компании John Deer (Молин, США).

Изделия из стали с повышенной атмосферной стойкостью не требуют окрашивания или применения других видов антикоррозионной защиты, при этом обладают внешней привлекательностью и рядом существенных эксплуатационных преимуществ:

• Долговечность металлоконструкций в 4-8 раз превышает показатели аналогов из традиционных углеродистых и низколегированных сталей;
• Атмосферостойкие стали хорошо свариваются, режутся, поддаются холодной и горячей формовке;
• В случае окрашивания обеспечивается лучшее сцепление с основой и, соответственно, повышенная устойчивость покрытия к внешним воздействиям.

Как видно, несмотря на разнообразие коррозионных процессов, разработанные промышленностью методы борьбы с ними не менее обширны. И мировая наука не останавливается на достигнутом, внедряя все новые и новые способы защиты от коррозии с целью увеличения срока полезного использования металлоконструкций, деталей и инструмента. Выбор конкретного способа антикоррозионной защиты зависит от материала и конечных условий эксплуатации металлических изделий. Ну а с выбором стального проката вам всегда посодействуют специалисты Метинвест-СМЦ. Напишите нам или позвоните по телефону 0800-30-30-70, наши сотрудники помогут определить наилучший вариант.