Сталь – один из наиболее широко используемых конструкционных материалов в строительстве., производство, транспорт, и инфраструктура. Его популярность обусловлена сочетанием силы, универсальность, и экономичность, с которой могут сравниться лишь немногие материалы..
От несущих конструкций и мостов до машин и трубопроводов, сталь продолжает служить основой современной промышленности.
Но сталь не застрахована от коррозии. Фактически, Коррозия является одним из наиболее важных факторов, определяющих, как долго стальная деталь может оставаться безопасной., функциональный, и экономичен в обслуживании.
Четкое понимание коррозии имеет важное значение для инженеров., производители, подрядчики, и управляющие активами.
Чем лучше вы понимаете, как ржавеет сталь, тем лучше вы сможете выбрать правильный сорт, правильная система защиты, и правильная стратегия обслуживания.
Вот семь ключевых моментов, которые должен знать каждый пользователь стали..
1. Сталь естественным образом не сопротивляется коррозии
Простой углеродистая сталь не является коррозионностойким материалом. Его основной компонент — железо., железо легко реагирует с кислородом и влагой.
При воздействии атмосферы, сталь начинает окисляться и образовывать ржавчину, который в основном состоит из гидратированных оксидов и гидроксидов железа., в том числе гидратированный оксид железа (Fe2O3⋅nH2O), оксигидроксид железа (FeO(ОЙ)) и гидроксид железа (Фе(ОЙ)3).
В отличие от устойчивых оксидных пленок, образующихся на некоторых металлах, ржавчина пористая, слабый, и незащитный.
Не герметизирует поверхность. Вместо, это позволяет кислороду и воде продолжать достигать основного металла.
Как результат, коррозия продолжает распространяться, обнажая больше свежей стали и ускоряя потерю материала с течением времени.
Вот почему нельзя предполагать, что незащищенная сталь останется прочной на открытом воздухе или во влажной среде..
Без надлежащего покрытия или стратегии борьбы с коррозией., коррозия невозможна; это естественный результат.
2. Легирование может значительно улучшить коррозионную стойкость
Почему простая сталь уязвима
Базовая сталь в основном состоит из железа., железо химически активно в присутствии кислорода и влаги.. Это означает, что нелегированная или легколегированная сталь не имеет встроенной защиты от коррозии..
Как только поверхностная пленка разрушается, коррозия может продолжать прогрессировать, поскольку слой ржавчины, образующийся на обычной стали, рыхлый., пористый, и неспособен изолировать субстрат от окружающей среды.
Это основная причина, почему дизайн сплавов имеет такое большое значение в сталелитейной промышленности.. Коррозионная стойкость – это не только поверхностная проблема.; все начинается с внутренней химии металла.
Как легирование меняет поведение стали
Путем добавления выбранных легирующих элементов, сталь можно превратить из материала, подверженного коррозии, в коррозионностойкий материал..
Основная идея заключается в том, что определенные элементы способствуют образованию более стабильной поверхностной пленки., повысить стойкость стали к агрессивным средам, или замедлить электрохимические реакции, которые приводят к потере металла.
Легирование не устраняет коррозию в любой среде., но он может превратить сталь из материала, который должен быть надежно защищен, в материал, способный выдержать долгую службу при гораздо меньшем техническом обслуживании..
Хром: фундамент из нержавеющей стали
Хром является наиболее важным легирующим элементом, когда целью является устойчивость к коррозии..
Когда в стали достаточно хрома, он реагирует с кислородом, образуя очень тонкую, плотный, и стабильная оксидная пленка на поверхности.
Этот пассивный фильм является основной причиной нержавеющая сталь так эффективно противостоит ржавчине.
Фильм – не просто барьер. Это тоже самовосстановление. Если поверхность поцарапана или повреждена, хром может снова быстро вступить в реакцию с кислородом и восстановить защитный слой..
Именно такое самовосстановление отличает нержавеющую сталь от углеродистой стали при эксплуатации..
Никель: улучшение стабильности и прочности
Никель часто добавляют в нержавеющую сталь для стабилизации аустенитной структуры и повышения общей прочности., пластичность, и коррозионное поведение.
Во многих марках нержавеющей стали, никель помогает материалу оставаться стабильным в широком диапазоне сред и повышает производительность во время формовки., сварка, и низкотемпературное обслуживание.
Никель не заменяет роль хрома. Вместо, укрепляет общую коррозионно-стойкую систему, помогая стали сохранять более благоприятную микроструктуру.
Молибден: усиление устойчивости к хлоридам
Молибден особенно ценен в средах, содержащих хлориды, например, в морской атмосфере., воздействие морской воды, химическая обработка, и богатые солью промышленные условия.
Помогает нержавеющей стали противостоять точечной и щелевой коррозии., которые являются одними из наиболее опасных форм коррозии, поскольку они могут развиваться локально и проникать глубоко практически без видимых предупреждений..
Вот почему часто выбирают молибденсодержащие марки, когда обычной нержавеющей стали недостаточно.. На практике, этот элемент часто определяет разницу между приемлемым и ненадежным обслуживанием в агрессивных средах..
Другие полезные легирующие элементы
Другие легирующие элементы также способствуют повышению коррозионной стойкости и эксплуатационных характеристик.:
Марганец может поддерживать баланс сплава и помогать заменять никель в некоторых сортах.
Азот может повысить прочность и устойчивость к локальной коррозии некоторых нержавеющих сталей..
Кремний может улучшить стойкость к окислению в условиях повышенных температур.
Медь может улучшить стойкость в некоторых слабокоррозионных средах и используется в некоторых специальных классах.
Каждый элемент играет свою роль, но более широкая идея та же самая: устойчивость к коррозии спроектирована, не случайно.
Легирование улучшает, но не делает сталь непобедимой
Даже высоколегированная нержавеющая сталь имеет ограничения.. Сильные кислоты, высокие концентрации хлоридов, щелевые условия, плохая обработка поверхности, и зоны сварки, подвергшиеся термическому воздействию, могут снизить производительность.
Легирование улучшает сопротивление, иногда резко, но среда по-прежнему контролирует конечный результат.
Вот почему выбор материала всегда должен соответствовать условиям эксплуатации..
Сорт, который хорошо работает в помещении, может оказаться недостаточным в морской воде., и сорт, который работает в морской воде, все равно может выйти из строя в сильно кислой или плохо обслуживаемой системе..
3. Среда, богатая хлоридами, особенно агрессивна
Одной из наиболее вредных сред для стали является воздействие хлоридов..
Солевой спрей, морская вода, противообледенительные соли, и некоторые промышленные технологические жидкости могут разрушать защитные оксидные пленки и вызывать локальную коррозию..
Ионы хлорида особенно опасны, поскольку они мешают пассивации и могут способствовать точечной и щелевой коррозии..
Вместо того, чтобы вызывать гладкую, равномерная потеря металла, хлориды часто создают небольшие, места глубокой коррозии, которые гораздо труднее обнаружить и которые более опасны для целостности конструкции..
Вот почему обычные нержавеющие стали могут сталкиваться с трудностями в морской или прибрежной эксплуатации., в то время как молибденсодержащие марки, такие как 316 часто выбираются из-за лучшей устойчивости к хлоридам.
В очень тяжелых условиях, даже нержавеющая сталь должна иметь правильное покрытие, деталь дизайна, и план технического обслуживания.
4. Сварные места часто являются наиболее уязвимыми
Сварное соединение редко бывает таким же, как основной металл вокруг него.. Сварка создает зону термического влияния с измененной микроструктурой., остаточное напряжение, а иногда и пониженная коррозионная стойкость.
Из нержавеющей стали, одна классическая проблема – это сенсибилизация, где карбиды хрома могут образовываться вблизи границ зерен и уменьшать количество хрома, доступного для пассивации..
Это может сделать область сварки более восприимчивой к межкристаллитной коррозии или коррозионному растрескиванию под напряжением., особенно если тепловложение слишком велико или используется неправильный наполнитель..
Даже если сам сварной шов прочный, локальная коррозия может быть слабее, чем ожидалось.
Вот почему сварка нержавеющей стали – это не просто операция соединения.. Это контролируемый металлургический процесс, в котором необходимо учитывать выбор наполнителя., тепловой вход, послесварочная очистка, и, где необходимо, послесварочная обработка.
5. Загрязнение обычного железа может повредить нержавеющую сталь
Нержавеющая сталь должна оставаться чистой, чтобы она работала по назначению.. Контакт с обычными инструментами из углеродистой стали., частицы железа, или загрязненные рабочие поверхности могут привести к попаданию свободного железа на поверхность нержавеющей стали..
Это загрязнение может разрушить пассивную пленку и создать локальные пятна ржавчины или участки, подверженные коррозии..
Это не то же самое, что гальваническая коррозия между двумя разнородными металлами.; это проблема загрязнения.
Даже краткий контакт с грязным инструментом или стальной шлифовальной пылью может привести к тому, что частицы останутся в поверхности..
Если эти частицы окисляются, из-за них нержавеющая сталь выглядит так, как будто она ржавеет, хотя проблема началась с загрязнения.
По этой причине, Производство нержавеющей стали требует строгой производственно-дисциплинарной дисциплины.. Специальные инструменты, чистые рабочие места, и правильная очистка поверхности не являются обязательными; они являются частью борьбы с коррозией.
6. Равномерная коррозия обычно менее опасна, чем локальная коррозия.
Не всякая коррозия ведет себя одинаково. Равномерная коррозия удаляет материал более или менее равномерно по поверхности., что часто визуально неприятно, но сравнительно предсказуемо.
Потому что ущерб распространяется, это легче проверить, мера, и управлять.
Напротив, локальная коррозия, такая как точечная или щелевая коррозия, может быть гораздо более серьезной..
На поверхности он может казаться незначительным, но при этом создает глубокое проникновение под поверхность..
В конструкциях или приложениях, работающих под давлением, такого рода скрытые повреждения могут привести к внезапному сбою.
Это означает, что одного лишь внешнего вида недостаточно, чтобы судить о риске..
На ржавой поверхности еще может оставаться время, если коррозия равномерна и ее контролируют., в то время как чистый на вид компонент из нержавеющей стали все еще может иметь скрытое локальное повреждение, если окружающая среда сурова, а марка выбрана неправильно..
7. Сталь можно защитить с помощью нескольких систем контроля коррозии
Борьба с коррозией – это система, ни один продукт
Коррозия стали не может быть решена одним универсальным решением..
На практике, Устойчивость к коррозии достигается за счет сочетания выбор материала, Поверхностная защита, детализация дизайна, экологическая изоляция, и стратегия обслуживания.
Вот почему сталь остается таким широко используемым конструкционным материалом.: хотя он может легко ржаветь, его также можно эффективно защитить разными способами..
Самая важная идея заключается в том, что защита от коррозии должна соответствовать условиям эксплуатации..
Заглубленный трубопровод, морская платформа, внутренняя рама машины, и резервуар для пищевой промышленности – все требуют разных стратегий. То, что подходит для одного приложения, может быть неэффективно или даже непригодно для другого..
Системы покрытия: первая и самая распространенная защита
Системы покрытий являются наиболее распространенным способом защиты углеродистой стали.. Их цель – отделить стальную поверхность от кислорода., влага, соль, и химикаты.
Типичные способы нанесения покрытия включают:
| Метод защиты | Основной принцип | Типичное преимущество | Типичное ограничение |
| Системы окраски | Создайте барьер между сталью и окружающей средой | Гибкий, экономичный, широко используется | Может быть поврежден ударом, истирание, или плохая подготовка поверхности |
| Порошковая покраска | Термически отверждаемый полимерный барьер | Прочный и визуально чистый | Требует контролируемого применения и менее подходит для очень больших конструкций. |
| Гальванизация | Цинк обеспечивает барьерную и жертвенную защиту. | Высокие показатели коррозии на открытом воздухе | Внешний вид поверхности индустриальный; ремонт и подкраска требуют ухода |
| Металлическое напыление / тепловой спрей | Создает защитный металлический слой | Хорошо подходит для тяжелых условий эксплуатации | Более специализированные и трудоемкие |
| Фосфат / конверсионные покрытия | Улучшить состояние поверхности и адгезию краски. | Полезно в качестве предварительной обработки | Обычно не является самостоятельным решением проблемы коррозии. |
Жертвенная защита: использование более активного металла для защиты стали
Одним из наиболее мощных методов борьбы с коррозией стали является жертвенная защита.
В этом подходе, более химически активный металл контактирует со сталью, поэтому защитный металл подвергается коррозии первым.
Самым известным примером является цинк. Цинк более активен, чем железо., поэтому, когда оба подвергаются воздействию агрессивной среды, цинк имеет тенденцию преимущественно корродировать и защищает стальную подложку..
Это принцип, лежащий в основе гальванизации и многих систем защиты на основе цинка..
Защитная защита особенно ценна на открытом воздухе, поскольку она продолжает работать, даже если покрытие поцарапано или повреждено.. Это делает его более прочным, чем чисто декоративное барьерное покрытие, во многих полевых условиях..
Катодная защита: незаменим для заглубленной и погружённой стали
Для подземных трубопроводов, танки, морские структуры, и погружные компоненты, Катодная защита часто используется.
Этот метод меняет электрохимическое поведение стали, так что сталь сама становится защищенным катодом в цепи коррозии..
Существуют две основные формы:
Катодная защита жертвенного анода
Более активный металл, такой как цинк, магний, или алюминий прикреплен к стальной конструкции. Анод ржавеет вместо стали..
Подаваемый ток катодной защиты
Внешний источник питания подает защитный ток в конструкцию., делая его катодным и подавляя коррозию.
Катодная защита особенно эффективна для крупных конструкций, где одного покрытия недостаточно..
Во многих системах, используется вместе с покрытиями, поскольку покрытие снижает потребление тока, а катодная система защищает любые открытые участки.
Легирование: создание сопротивления в самом металле
Другой способ борьбы с коррозией — использовать сплав, который по своей природе более устойчив, чем простая углеродистая сталь..
Нержавеющая сталь – классический пример., но атмосферостойкие стали и другие низколегированные марки также показывают, как состав может изменить коррозионное поведение..
Легирование является мощным средством, поскольку оно не просто защищает поверхность.; он меняет сам материал. Из нержавеющей стали, хром создает пассивную пленку, противостоящую ржавчине.
В других стальных семьях, выбранные добавки могут улучшить стойкость к окислению, сохранение силы, или поведение в конкретной среде.
Это делает легирование особенно полезным, когда повторное техническое обслуживание затруднено или когда деталь должна служить в сложных условиях в течение длительного времени..
8. Заключение
Сталь — один из наиболее адаптируемых материалов, когда-либо созданных., но коррозия остается основным ограничением во многих средах.. Обычная углеродистая сталь легко ржавеет, если ее не защитить..
Нержавеющая сталь противостоит коррозии, образуя самовосстанавливающуюся пассивную пленку., но он все равно может выйти из строя в условиях, богатых хлоридами, в сварных соединениях, или при загрязнении обычным железом.
Самый важный урок заключается в том, что коррозия – это не единственная проблема, имеющая единственное решение.. Это взаимодействие материала и окружающей среды..
Хорошие коррозионные характеристики достигаются за счет правильного выбора сплава., надежная практика изготовления, правильная обработка поверхности, и правильная система защиты среды обслуживания.
Для инженеров и изготовлений, понимание этих семи пунктов – это разница между выбором стали, которая просто работает сегодня, и выбором стали, которая будет надежно работать в течение многих лет..
Часто задаваемые вопросы
Вся сталь ржавеет??
Да, любая сталь может корродировать при определенных условиях. Скорость и тип коррозии зависят от сплава и окружающей среды..
Нержавеющая сталь не ржавеет?
Нет. Нержавеющая сталь устойчива к коррозии, не устойчив к коррозии.
Почему нержавеющая сталь ржавеет после сварки?
Потому что сварка может изменить микроструктуру, снизить доступность хрома в зоне термического влияния, и ввести остаточное напряжение.
Почему хлоридная среда повреждает нержавеющую сталь?
Ионы хлорида могут разрушать защитную оксидную пленку и способствовать локальной коррозии, такой как точечная и щелевая коррозия..
Как проще всего защитить углеродистую сталь??
Используйте покрытия, гальванизация, или другая система защиты от коррозии, соответствующая окружающей среде..
