Коррозионная стойкость

Коррозионная стойкость - основа безопасности металлоконструкций

Разрушение металла под  воздействием окружающей среды называют коррозией. В зависимости от характера  окружающей среды коррозия может  быть химической или электрохимической.

Химическая коррозия представляет собой процесс взаимодействия металла  с газообразной средой при отсутствии влаги. Продуктом химической коррозии являются оксиды металла. Они образуют на его поверхности пленку, препятствующую дальнейшему окислению и предохраняющую металл от электрохимической коррозии.

Электрохимическая коррозия имеет место в водных растворах, а также в насыщенной влагой атмосфере. Сущность этой коррозии заключается  в том. что атомы металла, расположенные ближе к поверхности изделия, имеют очень слабую связь с глубинными ионами, поэтому легко отрываются от металла молекулами воды. Оторвавшиеся ионы металла, взаимодействуя с ионами ОН. образуют гидроксиды, малорастворимые в воде. Коррозия может продолжаться до полного разрушения металла.

Кроме того, коррозия может  возникать при контакте двух разнородных  металлов или в результате химической неоднородности сплава. Активизации  разрушительных процессов способствуют содержащиеся в воздухе газы (например, диоксид серы)- Соединяясь с молекулами воды, тем или иным образом попавшей на поверхность конструкций, они  образуют кислоты, вступающие с металлом во взаимодействие.

Коррозия — это очень опасное для металлических конструкций явление, поэтому тема обеспечения надежной противокоррозионной защиты несущих элементов каркаса навесных фасадных систем (НФС) — одна из наиболее часто обсуждаемых в кругу специалистов, имеющих отношение к фасадному строительству. О том, каким образом решается проблема повышения коррозионной стойкости металлоконструкций, применяемых сегодня в строительной практике, мы попросили рассказать генерального директора испытательного центра "ЭкспертКорр-МИСиС" КАЗАКЕВИЧА Андрея Валерьевича.

В ряду материалов, известных  с незапамятных времен и повсеместно  применяемых во многих сферах человеческой деятельности, металлы всегда занимали особое место. Причина их чрезвычайно  высокой популярности легко объяснима: наряду с высокой прочностью они  обладают повышенной тепло- и электропроводностью, пластичностью (ковкостью), особым металлическим  блеском (отражательной способностью). Комплекс ценных физических, химических, технологических и эксплуатационных свойств, обусловленный особенностями  строения металлов и сплавов, выгодно  отличает их от других материалов и  во многих случаях делает незаменимыми.

Однако металлы не лишены некоторых недостатков. Разработчикам  навесных фасадных систем с вентилируемым  зазором больше всего хлопот доставляют способность металлов разрушаться  под воздействием агрессивных сред и подверженность деформациям при  изменении температурного режима.

— К числу основных факторов, определяющих долговечность  навесной фасадной системы и ее безопасность, относится степень коррозионной устойчивости несущих элементов  каркаса, для изготовления которых  чаще всего используются оцинковка, алюминиевые сплавы и коррозионностойкие стали. Какие из перечисленных конструкционных материалов менее подвержены разрушительным воздействиям негативных факторов окружающей среды и могут быть рекомендованы для использования в фасадном строительстве?

— На вопрос: какой материал больше подходит для изготовления системы подкон-струкций навесных вентилируемых фасадов? — однозначно ответить не сможет никто. К сожалению, абсолютно коррозионностойких материалов не существует, и при определенных условиях разрушается даже золото. Риск возникновения повреждений, вызванных воздействием агрессивных сред, можно значительно сократить, если руководствоваться следующим правилом: закладывая в проект тот или иной материал, не только обращать внимание на его технические характеристики, но и представлять себе, как данный материал будет работать при различных условиях эксплуатации. Поэтому когда мы говорим, что основное требование, предъявляемое к элементам несущего каркаса НФС. высокая коррозионная стойкость, это означает — коррозионная стойкость конкретного материала при его использовании в конкретной среде. Так, например, при строительстве коттеджа в экологически благоприятной зоне, предположим в районе Рузы, вряд ли имеет смысл использовать высоколегированную сталь или алюминиевые сплавы. В данной ситуации вполне можно обойтись окрашенной оцинкованной сталью.

Итак, с какими конструкционными материалами приходится иметь депо разработчикам систем вентфасадов. В настоящее время для изготовления элементов несущего каркаса навесных фасадных систем с вентилируемым, зазором применяют:

• углеродистые стали (с защитными покрытиями); 
• легированные (коррозионностойкие) стали; 
• сплавы на основе алюминия.

Что можно сказать по поводу возможных вариантов повышения  коррозионной стойкости фасадных конструкций, изготовленных из углеродистых сталей.

Углеродистая сталь представляет собой сплав железа с углеродом. Кроме углерода в сталях всегда присутствуют марганец, кремний, сера и фосфор Марганец (содержание не превышает 0,5….0,8%) и кремний (содержание не превышает 0,35…0,4%) вводятся в процессе выплавки стали для раскисления. Они являются технологическими примесями. Фосфор и сера — нежелательные примеси: фосфор искажает кристаллическую решетку, а сера ухудшает свариваемость м коррозионную стойкость стали.

Задачу повышения коррозионной стойкости углеродистых сталей можно  решить двумя способами: либо нанесением на поверхность листового металлопроката защитных покрытий в виде тонкой пленки из другого металла, менее подверженного  коррозии; либо введением в сталь  легирующих элементов.

Достаточно надежную защиту от коррозии позволяет обеспечить слой цинка, наносимого методом горячего цинкования. В принципе оцинкованная сталь — хороший, относительно дешевый и долговечный конструкционный материал, который в обычных условиях может использоваться без существенных ограничений.

— Какие условия  принято считать обычными?

— Это условия эксплуатации в  не очень загрязненном городе. Как  Вы понимаете, ни Москва, ни Петербург  к ним не относятся. Атмосфера  крупных промышленно развитых городов  характеризуется средней агрессивностью, и если уж мы говорим о возможности  использования оцинковки, то это  должна быть сталь с цинковым слоем  толщиной не менее 30 мкм и дополнительным полимерным покрытием толщиной не менее 40 мкм. Защищенная подобным образом  она вполне может "отработать"- около 20 лет. После 3-8 лет эксплуатации начнется деструкция полимера, сопровождающаяся нарушением целостности защитного  покрытия, толщина цинкового слоя будет постепенно уменьшаться, и  через некоторое время он перестанет выполнять функции противокоррозионной  защиты (рис. 1). Поскольку коррозии подвергаются отдельные участки, происходит местное  уменьшение сечения конструктивных элементов, а значит, снижается их механическая прочность, что может  привести к потере устойчивости системы.

Гораздо эффективнее предохраняют стальную основу от воздействия разрушающих  факторов окружающей среды алюмоцинковые покрытия. Коррозионная стойкость металлопроката, защищенного алюмоцинком (материалы типа «гальвалюм» и «алюцинк»), в 2-6 раз превышает коррозионную стойкость оцинкованного листа.

— Технология алюмоцинкования стального проката — это что-то новое для российского рынка?

— Технология нанесения алюмоцинкового покрытия — это, в общем-то. давно известная вещь. На мировом рынке, а точнее в США такой материал, как "гальвалюм", появился в 1972 году. В странах Западной Европы он применяется с 1982 года, и за это время уже успел заметно потеснить листовой металлопрокат с традиционным цинковым покрытием. Алюмоцинкование стальной полосы производится на непрерывной линии, аналогичной линии горячего цинкования. Разница заключается лишь в том, что вместо съемной ванны с расплавленным цинком устанавливается точно такая же ванна с алюмоцинковым расплавом, состоящим из трех основных химических элементов в следующих соотношениях. 55% алюминия; 1,6% кремния; 43,4% цинка.

В России промышленный выпуск алюмооцинкованного проката был впервые освоен на заводе ОАО "Северсталь" в Череповце. В силу ряда причин агрегат для нанесения алюмоцинкового покрытия некоторое время назад был переориентирован на выпуск оцинкованного листа. В настоящее время основными производителями стального проката, защищенного слоем алюмоцинка. являются зарубежные компании. В их числе такой известный германский концерн, как Агсе1ог, поставляющий на российский рынок сталь с алюмоцинковым покрытием Аluzinc АZ150-АZ185 толщиной 20-25 мкм (150-185 г/кв.м.).

— На чем основан  механизм противокоррозионной защиты? Каков максимальный срок службы металлоконструкций с алюмоцинковым покрытием?

— Благодаря химическому  составу и специфичной структуре  алюмоцинковое покрытие обеспечивает многоуровневую антикоррозионную защиту стальной основы. Алюминий, образующий на поверхности листа препятствующую коррозии оксидную пленку, обеспечивает «барьерную» защиту. В свою очередь цинк вступает в химическую реакцию с водой, и, корродируя, обеспечивает на начальной стадии эксплуатации (0,5-1,5 года) "жертвенную" защиту базовому металлу на кромках и в местах механических повреждений. В дальнейшем поверхность цинка покрывается защитной пленкой, что дополнительно снижает скорость коррозии.

Алюмоцинковое покрытие обладает высокой протекторной защитой и гарантирует сохранение коррозионной стойкости даже при механическом повреждении защитного слоя. Сравнительные испытания образцов сталей с цинковым и алюмоцинковым покрытиями показали, что при одинаковой толщине покрытий свойства алюмооцинкованных сталей превосходят свойства обычных оцинковок в 2-6 раз.

Согласно данным Британского  бюро сертификации срок службы материалов типа "алюцинк" (до появления первых признаков коррозии) оценивается следующим: образом: в сельской среде —20 лет; в промышленной среде — 15 лет; в городской среде — 15 лет.

Алюмооцинкованную сталь можно окрашивать. Металлоконструкции с алюмоцинковым слоем толщиной 40 мкм и дополнительным лакокрасочным покрытием толщиной 45-60 мкм вполне могут выдержать 50 лет эксплуатации в обычных условиях.

Еще один способ защиты стали  от коррозии — легирование, то есть сплавление с другими металлами, изменяющими строение, физические, химические и эксплуатационные свойства стали.

Основным легирующим элементом  нержавеющих (коррозионностойких) сталей является хром. При содержании Сr в количестве 12-20% на поверхности сплава образуется тончайшая оксидная пленка (Cr₂O₃), предотвращающая контакт металла c окружающей средой, а также повышается электрохимический потенциал стали, что тоже очень важно. Слой окиси хрома обладает высокой атмосферостойкостью и даже после механического или химического повреждения быстро самовосстанавливается; поэтому способность противостоять коррозии у металла сохраняется.

Однако нержавейка нержавейке — рознь. Согласно классификации, применяемой  в металловедении, по своей структуре  коррозионностойкие стали подразделяются на четыре основных класса: ферритные; ферритно-аустенитные; аустенитные; мартенситные. В зависимости от принадлежности к тому или иному классу значения показателей коррозионной стойкости легированных сталей изменяются в довольно-таки широких пределах. Самой низкой сопротивляемостью коррозии обладают стали мартенситного класса, поэтому они не нашли применения в строительстве. Гораздо лучше противостоят коррозии стали ферритного класса (08X13; 12X17; 08Х25Т; 15X28), и. тем не менее, к ним следует относиться весьма осторожно Опыт наблюдений за несколькими эксплуатируемыми объектами позволил нам сделать следующий вывод: всем известную и достаточно часто применяемую в системах подконструкций сталь X13 в атмосферных условиях использовать нельзя, поскольку в обычной атмосфере она начинает ржаветь. Конечно, такой сплав разрушается медленнее, чем обычная углеродистая сталь но от этого не легче. А все почему? Потому что сталь Х13 предназначена для использования в достаточно жестких условиях предприятий химической промышленности, то есть в среде, характеризующейся повышенным содержанием окисляющих веществ.

— Чем же объясняется  тот факт, что сталь, предназначенная  для работы в достаточно агрессивных  средах, начинает разрушаться под  воздействием атмосферных факторов?

— Все очень просто Обычное  разрушение металла — это процесс  окисления, сопровождающийся образованием пленки различной плотности. При  воздействии достаточно большого количества сильного окислителя, например, свободного кислорода или нитратов, образуется плотная окисная пленка. Если же окисляющих веществ в атмосфере  мало, образуется недостаточно плотная  пленка, которая со временем начинает осыпаться, что и приводит к возникновению  язвенных повреждений. Вот почему в  системах вентфасадов следует использовать сплавы с повышенным содержанием хрома, который и обеспечивает коррозионную стойкость, например, сталь Х17 или нечто подобное.

Однако у хромистых  сталей ферритного класса имеются свои минусы. Дело в том, что любая ферритная  сталь, а к ферритным сталям относятся  стали, у которых основная фаза —  альфа-железо, при взаимодействии с  внешней влажной средой начинает ржаветь. Если не обращать внимания на эстетический облик конструкций, то в принципе эту сталь вполне можно  использовать для изготовления скрытых  от постороннего взгляда направляющих. Конечно, может так случиться, что  в один прекрасный момент Вы обнаружите на защитно-декоративном экране ржавые подтеки, но на механической прочности  фасадной системы подобная «живопись» не отражается.

Более серьезные проблемы могут возникнуть при использовании  ферритных сталей в качестве материала  для изготовления высоконагруженных  деталей с применением сварки, мощного обжатия, изгибов с маленькими радиусами. Это объясняется тем, что стали упомянутого класса при перегреве становятся хрупкими. Справочные и экспериментальные  данные, которыми мы располагаем, позволяют  говорить о том, что ферритную  сталь со сварными соединениями можно  использовать лишь при комнатных  температурах.

Для улучшения прочностных  характеристик ферритных сталей в них добавляют 2...3% никеля. С  увеличением содержания никеля до 8-10% в кристаллической решетке сплава происходят существенные структурные  изменения, и хромистые ферритные  нержавеющие стали становятся хромоникелевыми  аустенитными. Нержавеющие стали аустенитного класса (04Х18Н10: 12Х18Н9Т) выгодно отличаются от ферритных сталей более высокой коррозионной стойкостью, лучшими технологическими свойствами, хорошо свариваются.

Казалось бы — все замечательно. Но, не тут-то было, поскольку и аустенитные стали не лишены недостатков.

Например, у самой простой  хромоникелевой аустенитной стали есть такая особенность: при профилировании или штамповке в местах повышенных механических нагрузок часть аустенита превращается в феррит. То есть в сплаве появляются две фазы, образующие гальваническую пару, и складываются предпосылки для возникновения электрохимической коррозии.