Влияние состава и структуры сталей на их коррозионную стойкость

В данном уроке рассматриваются особенности молекулярного строения металла и как они определяют степень его сопротивления воздействиям окружающей среды.

Особенности молекулярного строения металла определяют степень его сопротивления воздействиям окружающей среды по следующим критериям:

термодинамическая устойчивость металла (чем она выше, тем выше химическое сопротивление металла коррозии);
электрохимическая однородность поверхности (чем поверхность однороднее, тем металл более устойчив к электрохимической коррозии);
возможность пластической деформации металла (чем она выше, тем лучше металл сопротивляется коррозионному растрескиванию).

Коррозионностойкие стали

Углеродистые и низколегированные стали обладают хорошими механическими свойствами, но невысокой коррозионной стойкостью в большинстве природных и промышленных сред. Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали добавок, в частности хрома, никеля, алюминия, кремния. Такие элементы образуют непрерывную оксидную пленку, обладающую хорошим защитным действием.

По своему составу коррозионностойкие стали делятся на:

хромистые;
хромоникелевые;
хромоникельмарганцовые.

Состав коррозионностойких сталей варьируется в зависимости от условий среды, в которых предполагается эксплуатировать изделия из них. Кроме основных легирующих компонентов, стали могут быть дополнительно легированы молибденом, медью, титаном, ниобием, которые вводятся в состав сплавов главным образом для повышения их коррозионной стойкости в определенных средах. Существует немало условий, в которых стальным поверхностям угрожает интенсивная коррозия. Например, в морской воде, в слабокислых растворах, содержащих хлорид-ионы, имеет место риск возникновения питтинговой коррозии, которая развивается на отдельных участках поверхности и распространяется вглубь металла.

Хромистые стали

При введении в сталь 12–14% Cr на поверхности образуется тонкая защитная пленка окиси хрома, в результате чего сталь приобретает устойчивость против коррозии в атмосфере, пресной воде, ряде слабых растворов кислот, солей и щелочей. Более высокой коррозионной стойкостью обладают низкоуглеродистые (С ≤ 0,12-0,15%) высокохромистые (17–28% Cr) стали.

Хромоникелевые стали

Стали, легированные хромом и никелем (0,12-0,17% С, 17-19% Cr, 8-10% Ni), имеют низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую пластичность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах. Такие стали также хорошо свариваются и штампуются. В коррозионно-активных средах, в том числе химических, используют хромоникелевые стали с пониженным содержанием углерода (0,03-0,04% С, 17-19% Cr, 10-12% Ni).

Хромоникельмарганцовые стали

Хромоникелевые стали устойчивы к воздействию агрессивных сред, но дороги. В связи с этим в некоторых случаях применяют более дешевые стали, в которых часть никеля заменена марганцем. Хромоникельмарганцовые стали используются для изделий, работающих в слабоагрессивных средах (органические кислоты, соли, щелочи), а также при низких температурах.

Нержавеющие стали

Нержавеющие стали, в отличие от низколегированных, содержат значительное количество (до 30%) легирующих элементов. Уникальное сочетание свойств нержавеющих сталей, таких как коррозионная стойкость в атмосфере и агрессивных средах, высокая механическая прочность, а также отличная свариваемость, обуславливает их широкое применение в различных отраслях промышленности.

При достаточном содержании легирующих добавок (Cr, Ni, Cu, Р и др.) и при условии доступа кислорода нержавеющие сплавы пассивируются – электродный потенциал облагораживается, а при контакте металла с окислителем на поверхности образуется окисная пленка, в результате чего скорость коррозии падает. Степенью устойчивости пассивного состояния, собственно, и определяется коррозионная стойкость нержавеющих сталей. Для предотвращения появления ржавчины на поверхности конструкций из нержавеющей стали сплав должен иметь содержание хрома как минимум 11%.

Далее приведены особенности состава и сфер применения некоторых наиболее часто используемых марок нержавеющей стали.

Стали 300-й серии. AISI 304 (российский аналог – 08Х18Н10) – это аустенитная сталь с низким содержанием углерода (≤ 0,08%) и высоким содержанием хрома и никеля (не менее 18% Cr и 10% Ni). Характеристики стали этой марки делают ее универсальной и поэтому наиболее широко используемой, является кислотостойкой и выдерживает краткосрочное поднятие температуры до 900 °C, используется во всех отраслях промышленности. Она легко поддается сварке, демонстрирует высокие характеристики коррозийной стойкости в агрессивных средах. Ее также часто выбирают для применения в химической, фармацевтической, нефтяной и текстильной промышленности.

AISI 321 (12Х18Н10Т) – сталь с повышенным содержанием титана (до 0,7%). Легко поддается сварочной обработке, устойчива к температуре до 800 °C. Широко востребована для изготовления бесшовных труб, а также трубопроводных фитингов – фланцев, тройников, отводов и переходов.

Стали 400-й серии. AISI 430 (12Х17) – сталь с высоким содержание хрома (16-18%) и низким содержанием углерода (до 0,12%). Такое соотношение способствует высокой прочности и одновременно пластичности. Сохраняет свои свойства в коррозионно-опасных и серосодержащих средах, устойчива к резким перепадам температуры. Используется в нефтегазовой промышленности, а также в качестве декоративного материала для отделки зданий и помещений.

Стали 200-й серии значительно дешевле сталей других серий. В них более дорогой никель частично заменен марганцем и азотом. Вместе с тем сбалансированный химический состав стали AISI 201 (12Х15Г9НД) делает ее характеристики ненамного уступающими более дорогим AISI 304 и AISI 321. Стали серии AISI 200 нашли свое применение в медицинской и пищевой промышленности. Используются также при производстве круглых и профильных труб, которые применяются в изготовлении перил, ограждений и т.п.

Строительные низколегированные стали

При возведении зданий и промышленных сооружений чаще всего используются строительные низколегированные стали, которые имеют отличные механические свойства, но подвержены действию атмосферной коррозии.

Строительные низколегированные стали содержат:

С ≤ 0,22%
Mn < 1,8%
Si < 1,2%
Cr < 0,8%
Ni < 0,8%
Cu < 0,5%
V < 0,1%
Ti < 0,03%
N < 0,15%.

Марку стали выбирают исходя из вида сооружения, условий эксплуатации, характера и величины действующих нагрузок и т.д.

Так, например, для сварных конструкций, работающие в особо тяжелых условиях и подвергающиеся непосредственному воздействию динамических и вибрационных нагрузок – рекомендуемые марки стали:

10Г2С1Д
10Г2С1
10ХСНД
15ХСНД.

Для сварных конструкций, не подвергающиеся непосредственному воздействию подвижных или вибрационных нагрузок – рекомендуемые марки стали:

15ХСНД
10ХСНД
10Г2С1Д
16Г2АФ

Арматурные стали

Для армирования железобетонных конструкций применяют углеродистую или низколегированную сталь в виде гладких или периодического профиля стержней. Горячекатаные арматурные стали поставляют по ГОСТ 5781–82, а упрочненные термической или термохимической обработкой — по ГОСТ 10884–94.

«Погодные» стали

Это специальный тип атмосферостойких самопассивирующихся (выветривающихся) низколегированных сталей, которые, будучи подвержены воздействию окружающей среды, имеют лучшую устойчивость против коррозии, чем обычные конструкционные стали. Улучшенная стойкость – результат легирования сталей не большим количеством хрома, фосфора и меди.

Изменение цвета погодной стали в процессе эксплуатации:

«Погодные» стали ржавеют в течение первых 1,5–4 лет примерно так же, как углеродистая сталь. По истечении примерно 5 лет скорость коррозии уменьшается. Во время этого периода на поверхности образуется равномерно плотный слой ржавчины, называемый патиной. Из-за декоративного слоя ржавчины и низкой скорости коррозии окрашивать конструкции из «погодных» сталей не принято. На постоянно влажных или подверженных действию морской атмосферы поверхностях патина образовываться не будет. Следовательно, «погодные» стали больше подходят для конструкций, которые подвергаются чередующимся периодам влажности и сухости.