Руда сталь. Корозія металів та методи боротьби з нею

Кожен з нас хоч раз у житті стикався з іржавим металом. Побачивши сталеві вироби або металоконструкції, повністю або частково вкритих відкладеннями різних відтінків червоного та помаранчевого кольорів, у пересічного громадянина відразу ж виникають думки про їхню ненадійність та потенційно короткий термін експлуатації. Побачивши на металобазі гарячекатаний прокат, що вже має руду поверхню, першим бажанням клієнта буде відмовитися від такої закупівлі. І багато хто навіть не здогадується, наскільки різноманітні причини, види та наслідки корозійних процесів. Подібні впливи часто є невід'ємною частиною операцій з виробництва чорних та кольорових металів та сплавів, а також можуть бути пов'язані з особливостями їхнього транспортування та зберігання, умовами переробки та подальшої експлуатації металовиробів.

У цій статті ми розглянемо, що таке корозія металів і як вона може впливати на якісні характеристики металопродукції. Спробуємо розібратися, які поверхневі відкладення на сталевих виробах є іржею, та чи всі вони небезпечні при подальшому використанні конструкцій і виробів. А також відповімо на питання, пов'язані із захистом металів та сплавів від корозії.

Види корозії металів

Для початку трохи теорії, яка допоможе зрозуміти, де і яким чином виникає корозійний вплив на структуру та властивості виробів.

Корозія - це самочинне руйнування металів та їх сплавів під впливом навколишнього середовища, що може призводити до погіршення механічних властивостей та інших якісних характеристик продукції. За статистикою, близько 10-12% залізної продукції у світі щорічно стає непридатною для подальшого використання внаслідок руйнівного впливу корозійних процесів.

В залежності від механізму протікання корозія металів та сплавів розділяється на два основні види:

• Хімічна корозія металу відбувається під впливом газів (газова корозія) та неелектролітів (речовин, що не проводять електричний струм – органічних сполук, ефіру та ін.), у тому числі за високих температур;
• Електрохімічна корозія спричинена дією кислот, лугів, солей та інших речовин, що проводять струм (електролітів). До цього виду, серед інших, відносяться ґрунтова та атмосферна корозія.

Причини корозії металів можуть бути різними, однак ключова полягає в термодинамічній нестійкості більшості металів та сплавів (за винятком дорогоцінних та високолегованих) в умовах атмосфери чи інших корозійних середовищ. Залізо і низьколеговані сталі також є нестійкими до корозійного впливу, оскільки поверхнева оксидна плівка, що утворюється в результаті такої реакції, є недостатньо щільною і не захищає більш глибокі шари.

Швидкість та особливості кородування залежать як від складу самого матеріалу, так й від характеру середовища та кінетики процесу. Виходячи з цих параметрів, типи корозії металів розділяють також:

• За природою та умовами корозійного середовища – атмосферна, морська, підземна, біокорозія, корозія під впливом блукаючих струмів, контактна;
• За характером ураження – рівномірна (загальна корозія) та локальна (піттингова/ точкова, виразкова, міжкристалічна, щілинна та ін.).

Тепер, коли ми в першому наближенні ознайомилися з різноманітністю корозійних впливів, розберемося, що таке іржа і в чому полягає її утворення.

Іржавіння – це один з різновидів електрохімічної корозії металів, що полягає в окисненні заліза та залізовмісних сплавів під впливом атмосферного кисню, вуглекислого газу та вологи. Таке окиснення супроводжується виникненням на поверхні напівфабрикатів і готових виробів видимих ​​продуктів корозії – іржі. Ці продукти здебільшого складаються з гідратованих оксидів заліза і мають бурий колір. Поверхнева іржа має досить пухку структуру, не захищає глибші шари виробу від подальшої взаємодії з навколишнім середовищем та сприяє їх подальшому руйнуванню.

Окалина ≠ іржа

Буває так, що гарячекатані сталеві вироби одразу після охолодження на прокатному стані мають червону поверхню. Такий відтінок також пов'язаний з корозійними процесами, проте до іржавіння має досить віддалене відношення. Гарячекатаний прокат завжди покритий шаром окалини, яка виникає саме при високотемпературній обробці.

Окалиноутворення - формування продуктів окиснення на поверхні металевих виробів при нагріванні в окислювальному газовому середовищі. Такий процес ще називають високотемпературною корозією та відносять до її хімічних різновидів (на відміну від атмосферної корозії, яка є електрохімічною).

Продукти окиснення при такому високотемпературному впливі називаються окалиною і у випадку зі сталевими виробами складаються з оксидів заліза – FeO, Fe₂O₃, Fe₃O₄ (у легованих сталях до складу окалини також входять складні оксиди інших металів). Окалина буває двох видів:

• Первинна, яка утворюється під час нагрівання напівфабрикату перед деформацією. Під час наступного гарячого прокатування така окалина видаляється гідрозбивом або в спеціальних клітях – окаліноламателях;
• Вторинна, яка виникає у процесі гарячої деформації та подальшого охолодження прокату. Вторинна окалина після завершення прокатування залишається на поверхні виробу й згодом може бути видалена шляхом додаткової обробки: механічної (дробоструминна, дробометна, фрезерування, абразивне очищення тощо), хімічної (травлення в розчинах кислот і лугів) або комбінованої.

Окалина має змінний склад, який залежить від параметрів нагрівання та охолодження металевих виробів. Якщо в поверхневому шарі переважає гематит (Fe₂O₃), металопрокат матиме характерний червоно-рудий колір. Незважаючи на те, що цей досить щільний шар оксидів певною мірою захищає основний метал від впливів навколишнього середовища, саме таку окалину на поверхні гарячекатаних виробів найчастіше плутають із іржею – продуктом атмосферної корозії.

Захист від корозії

В останні десятиліття світові компанії та науково-дослідні організації суттєво просунулися у вирішенні питання антикорозійного захисту металовиробів. Розроблені способи захисту металів від корозії дозволяють підвищити їхню стійкість не тільки додаванням до складу сплавів великої кількості легуючих елементів (що суттєво підвищує вартість), але й шляхом застосування різних спеціальних технологій обробки готових металоконструкцій (від фарбування до електрохімічного захисту). Давайте подивимося на ключові особливості тих методів, які застосовуються для сталевих виробів.

Легування сталі

Для того, щоб підвищити опір сталі корозійним процесам, до її складу вводять хімічні елементи, що сприяють утворенню на поверхні щільних і міцних захисних плівок, що перешкоджають контакту основного металу з навколишнім середовищем. Наприклад, підвищення окалиностійкости (стійкості проти газової корозії при температурах вище 550 °С) до сталі додають хром (Cr), алюміній (Al) та кремній (Si). При 25% хрому та 5% алюмінію сталь стає окалиностійкою до 1300 °С.

Для сталей, що працюють в умовах електрохімічної корозії, їхній хімічний склад обирають залежно від того середовища, в якому вони будуть використовуватися. До таких матеріалів відносять хромисті (містять Cr у кількості 12-28%), хромонікелеві (зазвичай до 20% хрому та 15% нікелю), а також інші складнолеговані корозійностійкі марки. В якості прикладів подібних нержавіючих сталей можна згадати 40Х13, 12Х18Н10Т, 08Х18Н10, 10Х14Г14Н4Т, 10Х17Н13М2Т, які поєднують високу корозійну стійкість з достатньою технологічністю, що зумовило їхнє широке використання.

Для виробів, які повинні мати підвищену стійкість проти атмосферної корозії, також розроблені економнолеговані марки сталі. Про них ми поговоримо в окремому розділі цієї статті.

Захисні покриття

Для окремих сфер застосування, де корозію металів та сплавів викликає помірний агресивний вплив та використання нержавіючих матеріалів є економічно недоцільним, гарною альтернативою є металовироби із захисними покриттями. В даному випадку захисний шар повинен бути щільним і міцним, щоб забезпечувати ефективну ізоляцію основного металу від навколишнього середовища. До таких покриттів відносяться:

1. Металеві (цинк, алюміній, цинк-алюміній, алюмоцинк, алюміній-кремній, мідь тощо);
2. Неметалеві неорганічні (емалі, сполуки металів, фосфору та ін.);
3. Неметалеві органічні (покриття на основі пластмас, смол та полімерів).

Захисні покриття можуть наноситися на сталевий прокат у заводських умовах (рулонний оцинкований прокат, листовий прокат з полімерним покриттям, обміднений дріт тощо) або вже на деталі та конструкції під час фінішного етапу виготовлення чи під час монтажу та експлуатації.

Керування складом корозійного середовища

В умовах промислових підприємств ефективним методом зниження корозійного впливу є коригування агресивного середовища шляхом:

1. Видалення зі складу середовища або зниження концентрації компонентів, що безпосередньо викликають корозію металу;
2. Введення до складу середовища компонентів (інгібіторів), які істотно знижують швидкість корозійних процесів.

Використання засобів електрохімічного захисту

Цей метод призначений для захисту готових виробів, обладнання та споруд від електрохімічної корозії шляхом подачі на них постійного струму та керування їхнім електричним потенціалом. Залежно від корозійних умов металоконструкція може бути або катодом (катодний захист), або анодом (анодний захист).

Катодний захист від корозії широко застосовується для підземних та підводних споруд та комунікацій, магістральних трубопроводів, будівель, дорожніх елементів, автомобільної та іншої техніки. Часто такий захист поєднують із нанесенням антикорозійних покриттів. Анодний захист використовується насамперед у хімічній галузі для виробів, що працюють у контакті з кислотами, мінеральними добривами, аміаком тощо.

Патина – корисна іржа

Отже, ми вже з'ясували, що всі чавуни, вуглецеві та низьколеговані сталі, які не є нержавіючими, кородують під впливом атмосферного кисню та вологи з утворенням на поверхні виробів пористих та пухких відкладень – іржі. Такий поверхневий шар не є достатньою перешкодою при подальшому контакті навколишнього середовища зі сталевою основою, тому іржавіння може продовжуватися до повного руйнування металоконструкції або виробу. Але чи можна щось зробити, щоб сама іржа стала бар'єром для розвитку корозійних процесів?

Відповідь на це питання було дано ще в 30-х роках минулого століття, коли американські металурги компанії US Steel вперше отримали спеціальну низьколеговану сталь із підвищеною стійкістю до атмосферної корозії, яка згодом була запатентована і зараз відома усьому світу як COR-TEN (кортен, кортенівська сталь). Крім цього відомого бренду, в даний час атмосферостійкі сталі з аналогічними характеристиками виробляються відповідно до технічних вимог низки міжнародних стандартів. Серед них:

• Марки S235J0W, S235J2W, S355J2W, S420J4W та інші за європейським стандартом EN 10025-5 та його українським аналогом ДСТУ EN 10025-5;
• Grade A, Grade B, Grade C и Grade К за американським ASTM A588/ A588M;
• Type 1 за американським ASTM A242/ A242M.

Суть технології полягає в тому, що під час виплавляння сталі до розплаву додаються в невеликих кількостях мідь (зазвичай не більше 0,55%), хром (не більше 1,3%), в окремих випадках - нікель, молібден, фосфор, ніобій та інші елементи. Завдяки особливій системі легування, під час контакту виробів з такої сталі з атмосферою на їх поверхні в процесі іржавіння утворюється патина – щільний шар оксидів специфічного складу, який надалі захищає основний метал від корозії.

Спочатку така сталь розроблялася з метою виготовлення вагонів для вугілля, які мали б підвищений опір в умовах загальної агресивності навколишнього середовища (у морських портах, кар'єрах, на промислових підприємствах). Однак розробка виявилася настільки вдалою, що зараз атмосферостійку сталь можна зустріти у вигляді несучих та декоративних елементів будівель, мостів та естакад, резервуарів, арт-об'єктів та скульптур. Серед найвідоміших споруд із кортенівської сталі можна згадати міст New River Gorge Bridge (США), адміністративну будівлю North Shanghai Gas Company (Шанхай, Китай), колишню штаб-квартиру компанії Nippon Steel (Токіо, Японія) та головний офіс компанії John Deer (Молін, США).

Вироби зі сталі з підвищеною атмосферною стійкістю не вимагають фарбування або застосування інших видів антикорозійного захисту, при цьому мають зовнішню привабливість і ряд істотних експлуатаційних переваг:

• Довговічність металоконструкцій у 4-8 разів перевищує показники аналогів з традиційних вуглецевих та низьколегованих сталей;
• Атмосферостійкі сталі добре зварюються, ріжуться, піддаються холодному та гарячому формуванню;
• У разі фарбування забезпечується краще зчеплення з основою та, відповідно, підвищена стійкість покриття до зовнішніх впливів.

Як бачимо, незважаючи на різноманітність корозійних процесів, розроблені промисловістю методи боротьби з ними не менш численні. Й світова наука не зупиняється на досягнутому, впроваджуючи нові способи захисту від корозії з метою збільшення терміну корисного використання металоконструкцій, деталей та інструменту. Вибір конкретного способу антикорозійного захисту залежить від матеріалу та кінцевих умов експлуатації металевих виробів. А з вибором сталевого прокату вам завжди допоможуть експерти Метінвест-СМЦ. Напишіть нам або зателефонуйте 0800-30-30-70, наші співробітники допоможуть визначити найкращий варіант.