Чи іржавіє чорна сталь -
механізм корозії та способи захисту
Чорна сталь іржавіє завжди, коли на її поверхні одночасно присутні волога і кисень. Стандарт ISO 9223 визначає темп цього процесу для нелегованої сталі в перший рік експозиції: від 1,3 мкм на рік у категорії C1, тобто в опалюваних, чистих приміщеннях, до 700 мкм на рік у категорії CX, яка охоплює морські та вкрай промислові середовища. Між цими крайнощами вміщується вся складська і виробнича практика: типові цехи та міські зони це категорії C2 і C3, у яких утрата становить від 1,3 до 50 мкм на рік.
Саме питання, чи іржавіє чорна сталь, є отже менш корисним, ніж питання, як швидко і з якими наслідками для конкретного виробу.
Чому іржа не захищає сталь
Атмосферна корозія вуглецевої сталі це електрохімічний процес, який відбувається в тонкому шарі електроліту, осадженому на поверхні металу. ISO 9223 описує цю умову поняттям часу зволоження, тобто періоду, у якому поверхня вкрита шаром вологи, здатним провадити реакцію. Для його визначення стандарт приймає суму годин у році, у яких відносна вологість перевищує 80 відсотків за температури вище нуля.
Ключова різниця між іржею та захисними шарами інших металів стосується об'єму і зчеплення. Продукти корозії заліза займають об'єм помітно більший, ніж сталь, з якої вони утворилися, а таке розширення спричиняє розтріскування та відшарування шару від основи. Шар лишається пористим і несуцільним, тому не перекриває доступ кисню та вологи до свіжого металу під ним. Процес поступає вглиб.
Для порівняння, патина на цинковому покритті утворює щільний, прилеглий і нерозчинний у воді шар, який діє як фізичний бар'єр. Цинк додатково захищає сталь катодно: у місці оголеного металу, наприклад на різаній кромці, виникає гальванічний елемент, у якому кородує цинк, а не сталь. Іржа таких властивостей не має і мати не може.
Про темп корозії вирішують три чинники, охоплені ISO 9223: режим температури і вологості, забруднення діоксидом сірки та засоленість повітря. Хлориди і сполуки сірки діють як каталізатор, знижуючи електричний опір шару вологи і прискорюючи реакцію. Тому той самий гатунок сталі у виробничому цеху в глибині країни і на складському майданчику за кількасот метрів від моря поводиться зовсім інакше.
| Категорія за ISO 9223 | Рівень корозійності | Утрата товщини нелегованої сталі в перший рік |
|---|---|---|
| C1 | дуже низький | до 1,3 мкм |
| C2 | низький | 1,3-25 мкм |
| C3 | середній | 25-50 мкм |
| C4 | високий | 50-80 мкм |
| C5 | дуже високий | 80-200 мкм |
| CX | екстремальний | 200-700 мкм |
Прокатна окалина і корозія
Гарячекатаний лист у необробленому стані вкритий прокатною окалиною: темним, прилеглим шаром оксидів заліза тришарової будови. Біля сталі міститься вюстит, вище магнетит, а назовні гематит.
Окалина виглядає як захисне покриття і її інколи за таке приймають, але електрохімічно вона щодо сталі катодна, тобто благородніша. Доки вона щільно вкриває поверхню, вона сповільнює корозію. Щойно вона трісне або буде механічно пошкоджена, у місці оголеної сталі виникає гальванічний елемент, у якому сталь виконує роль анода. Невеликі оголення металу, оточені великою непорушеною окалиною, є при цьому найбільш несприятливими: малий анод працює щодо великого катода, а наслідком є інтенсивна виразкова (пітингова) корозія, зосереджена точно в цьому місці. Матеріал з частково відшарованою окалиною кородує отже швидше і більш нерівномірно, ніж матеріал з однорідною поверхнею.
Це одна з причин, чому для виробів, які фарбують, точно зварюють або формують холодним способом, застосовують травлений лист, у якому окалину видалено хімічно в кислотній ванні, а поверхню захищено шаром оливи. Добір гатунку під конкретний процес описує матеріал про позначення гатунків листа.
Поверхневий наліт іржі та придатність матеріалу
У складській практиці питання звучить зазвичай інакше: чи легкий поверхневий наліт іржі на листі дискваліфікує партію.
Стан поверхні гарячекатаних виробів регулює EN 10163. Стандарт розрізняє недосконалості, тобто несуцільності, що вміщуються в допустимих межах глибини і вважаються властивими процесу виготовлення, та дефекти, тобто несуцільності, які ці межі перевищують, а також тріщини, закати і шви незалежно від глибини. Він визначає також класи A і B разом з підкласами, які встановлюють допустимі методи ремонту. Різниця між класами стосується товщини: у класі A товщина, що залишилася під несуцільністю і під шліфованою ділянкою, може зійти нижче мінімуму, допустимого розмірним стандартом, у класі B не може. Значення тут мають допуски товщини листа, бо саме вони визначають нижню межу відліку.
Стандарт зосереджується на несуцільностях матеріалу, а не на самому нальоті іржі, і прямо зазначає, що окалина може їх приховувати. Оцінка ступеня заіржавіння перед подальшим обробленням відбувається за ISO 8501-1, яка визначає чотири ступені вихідного стану поверхні.
| Ступінь за ISO 8501-1 | Стан поверхні |
|---|---|
| A | поверхня значною мірою вкрита прилеглою окалиною, практично без іржі |
| B | корозія розпочата, окалина починає лущитися |
| C | окалина зруйнована корозією або така, що піддається зішкрібанню, невеликі виразки видимі неозброєним оком |
| D | окалина зруйнована корозією, видиме загальне виразкування |
Практичний висновок такий, що поверхневий наліт без виразок, який відповідає ступеню B, не вирішує наперед про придатність матеріалу. Значення має те, чи під нальотом дійшло до втрати товщини нижче нижньої межі допуску і який процес чекає матеріал далі. Перед фарбуванням і так необхідна підготовка поверхні, а ISO 8501-1 визначає ступені абразивно-струменевого очищення: Sa 1 видаляє слабко прилеглі забруднення, Sa 2 більшість окалини та іржі, Sa 2½ залишає лише легке забарвлення у вигляді плям або смуг, а Sa 3 дає однорідний металевий вигляд. Ширше про оцінку поверхні матеріалу з другого каналу продажу йдеться в матеріалі про дефекти поверхні листа ІІ сорту.
Складська корозія і конденсація
Складська корозія рідко випливає з тривалого зберігання як такого. Вона випливає з конденсації. Коли холодний матеріал потрапляє до теплішого приміщення, температура повітря безпосередньо біля поверхні сталі падає нижче точки роси і на листі осідає волога. Щільно укладені аркуші та витки рулону затримують її між шарами, де немає циркуляції повітря і ніщо не сприяє випаровуванню.
Правила, які це обмежують, прості й спільні для сталевих виробів незалежно від виду поверхні: перевезення критими і щільними засобами, зберігання під дахом і над рівнем підлоги, сухі прокладки, що забезпечують потік повітря між пакетами, укладання з легким нахилом, який уможливлює стік води, відсутність щільного обгортання плівкою, яка затримує конденсат під собою. Матеріал, що лишається сухим, не кородує.
Тимчасовий і цільовий захист
Захист чорної сталі спирається на два рівні. Тимчасово застосовують оливні шари, нанесені на лінії, які захищають виріб у перевезенні та в короткому зберіганні, а також контроль складських умов. Цільово, коли виріб має працювати в корозійному середовищі, потрібне покриття.
Добір системи покриття регулює ISO 12944, яка пов'язує категорію корозійності середовища з потрібною довговічністю захисту і на цій підставі визначає підготовку поверхні, вид фарби, кількість шарів і товщину сухого покриття. Що вища категорія корозійності та що довший передбачуваний період без обслуговування, то розгалуженіша система. Альтернативою фарбуванню є цинковий захист, у якому шар металу діє водночас як бар'єр і як жертовний анод.
Атмосферостійкі сталі
Атмосферостійкі сталі, охоплені EN 10025-5, відомі на ринку під назвою кортен, діють на іншому принципі. Добавки хрому, міді, фосфору та нікелю спричиняють, що шар продуктів корозії стабілізується і утворює щільну патину, яка утруднює подальший доступ кисню та вологи, помітно сповільнюючи корозію.
Умовою утворення патини є цикли поперемінного зволоження і висихання. Там, де поверхня лишається постійно вологою, зануреною або засипаною, механізм не діє і матеріал поводиться як звичайна конструкційна сталь, тож вимагає фарбування. Галузеві настанови виключають застосування атмосферостійкої сталі без покриття в смузі до 2 км від прибережних вод, хіба що осідання хлоридів утримується нижче категорії S2 за ISO 9223, тобто нижче 300 мг на квадратний метр на добу. Подібно трактують промислові атмосфери з високою концентрацією діоксиду сірки та середовища, класифіковані як C5 і CX, для яких цей матеріал не передбачений.
Критерії добору стану поверхні
Рішення про купівлю чорного, травленого або оцинкованого листа зводиться до трьох питань: у якому середовищі виріб працюватиме, який переробний процес чекає матеріал і як довго він зберігатиметься перед використанням. Чорний лист у необробленому стані є найощадливішим вибором для виробів, які фарбують після виготовлення і переробляють швидко після поставки. Травлений і промаслений лист має перевагу всюди там, де окалина заважає у зварюванні, формуванні або лакуванні. Лист із покриттям, нанесеним гарячим способом, розв'язує проблему корозії на етапі матеріалу, а не на етапі готового виробу.
З одного боку розрахунку стоїть ціна тонни, з другого вартість захисту, вартість складських втрат і ризик простою. Доступні гатунки сталі, види покриттів та формати рулонів, поздовжньо різаної стрічки і листів подає пропозиція сталевого листа HEN-STOL, з окремими сторінками про оцинкований лист, холоднокатаний лист і гарячекатаний лист.
Перевірте, як ми можемо допомогти
Надішліть нам специфікацію матеріалу, який ви зараз використовуєте: гатунок, товщину, ширину, стан поверхні, вид покриття, бажану форму поставки та розмір партії. Ми перевіримо доступність і представимо найкращі умови, які можемо запропонувати. Якщо прийнятий стан поверхні виявиться дібраним із надлишком щодо потреб процесу, вкажемо матеріал, який відповідає дійсним вимогам виробу.
Найчастіші запитання
Як швидко іржавіє чорна сталь на складі?
Залежить від умов, а не від часу зберігання самого в собі. У сухому, опалюваному цеху, який відповідає категорії C1 за ISO 9223, утрата не перевищує 1,3 мкм на рік. У неопалюваному цеху з конденсацією та в зовнішніх умовах темп зростає до кількох десятків мкм на рік.
Чи захищає прокатна окалина лист від корозії?
Доки вона щільна і непошкоджена, вона сповільнює корозію. Після розтріскування діє навпаки: як катодний шар щодо сталі спричиняє прискорену виразкову (пітингову) корозію в місці оголення металу, найінтенсивнішу при невеликих оголеннях, оточених непорушеною окалиною.
Чи є поверхневий наліт іржі підставою для рекламації?
Сам поверхневий наліт без виразок зазвичай не є дефектом у розумінні EN 10163. Значення має те, чи товщина матеріалу після очищення вміщується в допуску розмірного стандарту і чи стан поверхні відповідає класу, записаному в замовленні.
Чим відрізняється чорний лист від травленого?
Чорний лист має поверхню з прокатною окалиною, що залишилася після гарячої прокатки. Травлений лист пройшов кислотну ванну, яка видаляє окалину, і захищений оливою, що дає однорідну поверхню, підготовлену до зварювання, формування та лакування.
Чи не вимагає атмосферостійка сталь захисту?
У помірних середовищах, з циклічним зволоженням і висиханням, патина стабілізується самочинно і додатковий захист не потрібен. За постійного зволоження, в атмосферах з високою концентрацією хлоридів або діоксиду сірки та в смузі до 2 км від прибережних вод механізм не діє і покриття необхідне.
Що найдієвіше обмежує складську корозію?
Утримання матеріалу в сухому стані: перевезення критим засобом, зберігання під дахом над рівнем підлоги, сухі прокладки, циркуляція повітря між пакетами і відсутність щільного обгортання плівкою, під якою збирається конденсат.
Джерела
- ISO 9223, Corrosion of metals and alloys, corrosivity of atmospheres, classification, determination and estimation
- ISO 8501-1, Preparation of steel substrates before application of paints and related products, visual assessment of surface cleanliness
- ISO 12944, Paints and varnishes, corrosion protection of steel structures by protective paint systems
- EN 10163-2, Delivery requirements for surface condition of hot-rolled steel plates, wide flats and sections
- EN 10025-5, Hot rolled products of structural steels, technical delivery conditions for structural steels with improved atmospheric corrosion resistance
- The Steel Construction Institute, Corrosion protection та Weathering steel
- ArcelorMittal, Introduction to the corrosion process, Steel Academy
- Galvanizers Association, Corrosion protection