Атмосферостойкие стали. Стальные строительные конструкции защищают от коррозии лакокрасочными покрытиями, которые приходится периодически во­зобновлять. На грунтовку и окраску расходуется значительная доля стоимости и трудозатрат по изготовлению, монтажу и эксплуатации конструкций. С увеличением объема капитального строительства эти расходы непрерывно возрастают. Поэтому важное народнохозяйственное значение имеют материалы, не требующие защитных покрытий, или те из них, на которые срок службы покрытий существенно увеличивается. Таким материалом являются атмосферостойкие стали [35]; они не представляют собой нержавеющий материал, такой, например, как высоколегированная хромоникелевая сталь типа Х18Н10. Легирующие добавки в атмо-сферостойкой стали недостаточны для полного пассивирования ее поверхности.

В первый период взаимодействия с атмосферой поведение атмосферостойкой стали с незащищенной поверхностью мало чем отличается от поведения углеродистых строительных сталей. Отличие состоит лишь в том, что после одинакового времени действия коррозии атмосферостойкая сталь, благодаря небольшим добавкам некоторых легирующих элементов, обнаруживает значительно меньшую потерю массы, причем эта разница с течением времени увеличивается, так как коррозия атмосферостойкой стали практически прекращается.

Влага на поверхности металла является непременным условием протекания коррозии. Контактирующая с металлом влага почти всегда содержит растворенные газы, соли, кислоты, что делает ее электролитом, необходимым для развития электрохимической коррозии. На скорость этих процессов влияет величина оммиче-ского сопротивления пленки влаги. При малом содержании в ней солей или газов (например в сельской атмосфере) оммическое сопротивление велико и скорость коррозии низкая. В загрязненной промышленной атмосфере, а также в морской атмосфере скорость коррозии заметно выше. Еще значительнее она в морской воде из-за высокой концентрации растворенных солей.

В промышленной атмосфере содержится сернистый газ (S02), который окисляется кислородом в электролите до серной кислоты и, как полагают, оказывает на атмосферную коррозию сильное ускоряющее (каталитическое) действие.

Образующийся на поверхности стали гидрат закиси железа Fe(OH)2 с течением времени окисляется в гидрат окиси железа FeOOH, являющийся (наряду с магнитным оксидом железа Fe304) основным компонентом ржавчины. Физико-механические свойства слоя продуктов коррозии: плотность, твердость, растворимость, прочность сцепления с металлической поверхностью при прочих равных условиях зависят от ряда факторов: степени и режима влажности, химического состава стали и коррозионной среды (атмосферы), температуры металла, длительности коррозии, солнечной радиации и др.

С течением времени толщина слоя ржавчины увеличивается; в нем заполняются поры и трещины, что затрудняет транспортирование влаги и кислорода к границе раздела с металлом и миграцию от нее образующихся ионов железа. Все это замедляет коррозию, вследствие чего потеря массы стали от продолжительности коррозии выражается плавной затухающей кривой (рис. 1.19). Вместе с тем на поверхности обычной углеродистой стали в условиях достаточной смачиваемости коррозия никогда не прекращается, так как образующийся мягкий пористый слой ржавчины слабо блокирует массоперенос.

При наличии в стали легирующих элементов: меди, никеля, хрома, молибдена, титана, кремния и др. они также участвуют в реакциях электрохимической коррозии, причем образующиеся соединения этих элементов, попадая в слой ржавчины, способны оказывать значительное влияние на его физико-механические свойства.

Именно на этой способности некоторых легирующих элементов, присутствуя в комплексе, изменять свойства ржавчины, основано применение так называемой атмосферостойкой стали, позволяющей (при соблюдении определенных условий)

исключить необходимость нанесения на конструкции защитных покрытий.

Образующийся в течение 1,5-3 лет на незащищенной поверхности такой стали естественный слой продуктов коррозии, содержащих соединения основных сульфатов, гидроокиси, карбонатов, фосфатов и силикатов хрома, никеля, меди, обладает повышенными плотностью, прочностью и лучшей сцепляемо-стью с поверхностью металла, чем на обычной стали. Поэтому к концу указанного периода дальнейшая коррозия резко замедляется или прекращается совсем.

Многочисленные исследования, выполненные в нашей стране и за рубежом, показали, что из числа легирующих элементов медь и фосфор наиболее эффективно повышают сопротивление атмосферной коррозии. Их действие проявляется при небольших количествах и поэтому при увеличении содержания меди свыше 0,15 — 0,2% и фосфора свыше 0,3 % коррозионная стойкость стали повышается лишь незначительно.

Хром при введении его в сталь до 1 % мало влияет на сопротивление атмосферной коррозии и даже несколько ее снижает. Однако в присутствии меди (0,06 % и более) хром существенно повышает коррозионную стойкость стали. Никель значительно увеличивает сопротивление стали атмосферной коррозии, причем наиболее существенно также в присутствии меди.

При одновременном присутствии в стали меди, фосфора, хрома и никеля совместное действие этих элементов на повышение коррозионной стойкости сильнее действия каждого из элементов в отдельности. Углерод, кремний, марганец и ванадий не оказывают большого влияния на коррозионную стойкость стали. В промышленной атмосфере марганец при содержании до 1,5-1,8% снижает на 20-30 % коррозионную стойкость, в морской атмосфере примерно на столько же ее повышает. Кремний при введении в углеродистую и низколегированную марганцовистую сталь в количестве до 1,2 % не изменяет ее коррозионного поведения. Влияние легирующих элементов на сопротивление коррозии в морской воде и морской атмосфере качественно такое же, как и воздействие на сопротивление коррозии в промышленной атмосфере (см.рис.1.19). Разница лишь в том, что коррозия протекает в несколько раз быстрее, чем в промышленной атмосфере и защитного слоя продуктов коррозии не образуется.

Атмосферостойкие низколегированные стали выпускаются металлургическими фирмами многих стран. Для большинства марок химический состав повторяет (с небольшими вариациями) ставшую классической композицию американской стали Кор Тен А: меди -0,5, хрома -1, кремния -0,5, никеля -0,5 и фосфора -0,1 %. При этом для компенсации ухудшения вязкости и свариваемости, обусловленного высоким содержанием фосфора, ограничивают содержание углерода уровнем < 0,12 % и максимальную толщину проката не более 9-12 мм. В этом диапазоне толщин прочностные свойства стали и ее пластичность после горячей прокатки удовлетворяют требованиям к обычной низколегированной стали: о~т > 345 Н/мм2; о~в > 490 Н/мм2 и 55 > 22 %.

Для проката более значительных толщин предлагаются другие варианты атмо-сферостойкой стали, аналогичные американской стали Кор Тен Б, в которой при обычном содержании фосфора (<0,04 %) находится марганца -1, меди -0,3, хрома -0,6 и ванадия 0,02- 0,1 %. Механические свойства сталей Кор Тен А и Кор Тен Б близки.

В нашей стране для применения в неокрашиваемых конструкциях рекомендована атмосферостойкая сталь марок 10ХНДП (10ХДП) типа Кор Тен А, поставляемая в листовом и фасонном прокате толщиной до 9- 12 мм, 08ХГСДП, поставляемая в виде фасонных профилей и 12ХГДАФ типа Кор Тен Б, поставляемая в листовом прокате толщиной 12-50 мм. Последняя сталь, благодаря использованию карбо-нитридного упрочнения и термической обработки-нормализации, обладает высокой хладостойкостью, необходимой для конструкций «северного исполнения».

Химический состав и механические свойства отечественных атмосферостойких сталей приведены в табл. 1.34 и 1.35. Сталь марок 10ХНДП (ЮХДП) и 08ХГСДП применяется для конструкций, эксплуатируемых при статических нагрузках в обычном диапазоне климатических температур. Сталь марки 12ХГДАФ благодаря повышенному сопротивлению хрупкому разрушению может быть также использована для конструкций, подвергающихся динамическому и переменному нагруже-ниям а также эксплуатируемых при расчетной температуре ниже минус 40 °С («северное исполнение»).

Сварка атмосферостойких сталей не вызывает затруднений и может производиться теми же способами, что и других низколегированных сталей. Однако, если к стойкости сварных швов против атмосферной коррозии предъявляются те же требования, что и к основному металлу, то применяемые сварочные материалы (электроды, присадочная проволока, флюс) и режим сварки должны обеспечить получение химического состава металла шва, близкого к составу основного металла. Согласно данным ЦНИИпроектстальконструкции хорошие результаты дает ручная электродуговая сварка электродами с покрытием марки ОЗС-18, автоматическая сварка проволокой марки Св-08Х1ДЮ под флюсом АН-348А и сварка в атмосфере углекислого газа проволокой марки Св-08ХГ2СДЮ. Металл болтов и заклепок в неокрашиваемых монтажных соединениях должен быть близок по химическому составу к основному металлу.

Экономический эффект от применения атмосферостойкой стали в сравнении с другими низколегированными сталями той же прочности создается вследствие исключения расходов на защиту от коррозии металлических конструкций и связанных с этим мероприятий. Последние включают в себя первоначальную подготовку поверхности, грунтовку и окраску при возведении конструкции, повторную окраску через 10 лет эксплуатации и последующее возобновление лакокрасочного слоя, периодически повторяемое через каждые три года.

Следует иметь в виду, что защитный слой на поверхности атмосферостойкой стали формируется в течение 1,5-3 лет только в условиях эксплуатации на открытом воздухе в слабоагрессивной атмосфере, при периодическом естественном увлажнении и высыхании. Потеря толщины металла при этом обычно не превышает 50 мкм. Защитный слой не образуется при эксплуатации в закрытых помещениях с постоянной повышенной влажностью, при постоянном контакте с водой, в средне- и сильно агрессивной атмосфере (химического производства и цветной металлургии), в морской атмосфере, во влажном тропическом климате. Однако и в этих условиях применение атмосферостойких сталей часто оказывается целесообразным, но в окрашенном состоянии, так как благодаря лучшей сцепляемости с поверхностью металла срок службы искусственных защитных покрытий на атмосферостойкой стали в 1,5-2 раза более продолжительный, чем на обычной стали.