Коррозионная стойкость микролегированных малоуглеродистых сталей

Вообий, следует заметить, что, по современным воззрениям, стали для металлических конструкций практически во всех случаях должны обладать повышенной коррозионной стойкостью, поскольку, например, строительные металлические конструкции находятся в непрерывной эксплуатации не менее пятидесяти лет, а за этот срок, как показывают натурные обследования, под влиянием атмосферной коррозии часто возникают опасные очаги разрушения. В частности, известны случае обрушения небольших пешеходных мостков-переходов через железнодорожные пути.

Вместе с тем следует отметить, что стали типа COR TEN А (например, ЮХНДП), а также COR TEN В (например, ЮХСНД и 15ХСНД) имеют целый ряд серьезных технико-экономических недостатков, исключающих массовое применение их в металлоконструкциях.

Стали типа ЮХНДП плохо свариваются и имеют низкое сопротивление хрупким разрушениям. Поэтому в строительстве область их применения распространяется лишь на конструкции, эксплуатируемые при статических нагрузках в умеренном диапазоне климатических температур; при этом применение находит лишь прокат относительно небольших толщин: лучше менее 5 мм.

Стали же типа COR TEN В (ЮХСНД, 15ХСНД) обладают излишне высокой стоимостью, делающей невозможным их применение в массовых конструкциях. Эти стали следует применять лишь в уникальных строительных сооружениях или при строительстве большой металлоемкости (например, железнодорожных мостов).

В связи с изложенным возникла задача разработки малоуглеродистых сталей с повышенной коррозионной стойкостью для массовых металлических конструкций, применяемых в различных условиях эксплуатации. Желательно, чтобы эти стали, во-первых, по стойкости против атмосферной коррозии не уступали сталям типа COR TEN А, в крайнем случае COR TEN В, во-вторых, имели высокие эксплуатационные и технологические свойства, прежде всего достаточную хладостойкость и хорошую свариваемость.

Основой легирования для искомых сталей послужили малоуглеродистые стали типа 18САТЮ. В этих сталях наблюдается пониженное содержание легкорастворимых при коррозионных воздействиях сульфидов марганца, существенно уменьшающих сопротивление атмосферной коррозии проката из черных металлов.

Действительно, первые эксперименты подтвердили, что сталь 18САТЮ по стойкости против атмосферной коррозии, во всяком случае, не уступает сталям типа COR TEN А и COR TEN В (ЮХСНД). Испытания проводили как на горячекатаном, так и на термически упрочненном в потоке станов прокате.

Для повышения коррозионной стойкости стали 18САТЮ были использованы известные рецепты — добавляли элементы, улучшающие, согласно многократно проверенным исследованиям, это свойство стали — медь, хром, а также их сочетание.

Были изучены стали производства ОАО «НТМК».

Исследовали прокат типа широкополочных двутавровых балок с параллельными гранями. Толщина полок, из которых отбирали пробы, составляла 13,2 мм для стали 18САТЮД, 11,6 мм — для стали 18ХСАТЮ, 13,3 мм — для стали 18ХСАТЮД и 11,0 мм — для стали 18САТЮ.

Микроструктуру стали исследовали методами оптической металлографии. Подробно изучали неметаллические включения на полированных нетравленых шлифах. Фаза неметаллических включений состоит в основном из нитридов алюминия и титана, а также сульфидов. Содержание Неметаллических включений (балл №2-3 по ГОСТ 1778) характерно для сталей с титаном и алюминием типа 18САТЮ и даже с меньшим содержанием — для сталей типа 18ХСАТЮД (балл №2). На продольных шлифах содержалось небольшое количество сульфидов, что можно объяснить наличием недеформируемых сульфидов титана, разбивающего строчки на скопления точек.

Наблюдаемая фаза неметаллических включений благоприятно влияет на некоторые важные свойства проката, например на z-свойства.

Размер зерна феррита несколько изменяется по сечению профилей.

В связи с тем, что в рассматриваемых сталях колонии перлита имеют большую плотность, а значительная часть углерода связана в карбиды и карбонитриды, структура стали характеризовалась относительно низким содержанием перлита: 7,3% в стали 18САТЮ; 12,8% в стали 18ХСАТЮ; 8,2% в стали 18САТЮД и 17,6% в стали 18ХСАТЮД (количество перлита оценивали на приборе «Камебакс»), В этих сталях практически отсутствует феррито-перлитная полосчатость и не наблюдаются структуры промежуточного типа, что положительно влияет на свойства стали.

Ударная вязкость и хладостойкость рассматриваемых сталей практически одинакова и не зависит от сочетания легирующих элементов.

Коррозионную стойкость рассматриваемых сталей изучали методом ускоренных испытаний, позволяющим дать сравнительную качественную оценку сопротивлению естественным коррозионным средам. Изучали воздействие общепромышленной и городской среды, морской воды, а также коррозионную стойкость в промышленной и городской среде. Так же исследовали стали 18САТЮ, ЮХСНД, 08ХГСДП (COR TEN А).

Испытания проводили на образцах 70 х 50 х 9 мм, с одной стороны сохраняли прокатную корку. Перед испытаниями образцы протравливали в слабом растворе серной кислоты и после замеров и взвешивания (с точностью до 0,005 г) закрепляли в специальных кассетах и помещали в гидростат.

Коррозионное воздействие осуществляли по следующему режиму. В течение пяти первых дней цикла относительную влажность внутри гидростата 10-12 ч в сутки поддерживали около 100%, а температуру поднимали до 40° С. В первый день цикла в гидростат подавали один из наиболее агрессивных компонентов атмосферы промышленных предприятий и городских районов — сернистый газ с концентрацией до 200 mt/mj в первые 3—4 ч. В шестой и седьмой день цикла образцы сушились при 15-20° С и относительной влажности 60%. При этом на поверхности образовывались слои продуктов коррозии. Периодически оценивали относительный коррозионный износ на единицу площади (г/м²), глубину проникновения коррозии (мкм), а также скорость проникновения коррозии (мм/год).

В процессе экспозиции у всех марок стали наблюдается затухание коррозионного процесса из-за тормозящего воздействия продуктов коррозии. Однако стабилизации процесса не наблюдалось, что типично для заданных режимов воздействия.

Срок экспозиции составил около 5 месяцев — 20 семидневных циклов. При этом скорость коррозии у сталей ЮХСНД и 18САТЮ была примерно равной 0,30-0,34 мм/год, сталь 08ХГСДП оказалась менее стойкой — 0,43 мм/год.

Наихудшей коррозионной стойкостью в рассматриваемых условиях обладает сталь с повышенным содержанием марганца и фосфора и медью марки 08ХГСПД. Результат подтверждает некоторые полученные ранее данные и не кажется парадоксальным. Как отмечалось выше, стали типа COR TEN А предназначены прежде всего для эксплуатации неокрашенных объектов в слабоагрессивных средах чистых городов и сельских местностей. При работе в режиме смачивание — высыхание (например, при атмосферных осадках) на их поверхности в этих условиях в течение 5-10 лет образуется плотный слой продуктов коррозии, исключающий дальнейшее разрушение поверхности. В условиях же воздействий агрессивных промышленных и городских сред подобные стали могут оказаться неэффективными, что, в частности, подтверждают полученные данные.

При оценке коррозии в условиях железной дороги ускоренные испытания по традиции проводятся с точностью 0,1 мг (точность аналитических весов) на шлифованных со всех сторон образцах 30 х 7 х 4 мм. Образцы подвешивают на колесе, которое, вращаясь вокруг своей оси, одну половину периода держит образец в контакте со специальной средой, другую — на воздухе. Один оборот колеса осуществляется за 40 мин; полное время выдержки составляет 30 сут. В качестве коррозионных сред выбирали стандартные для методик МПС 1 %-ные растворы NaCl, Na2S04 и H2S04.

Видно, что наиболее легированная сталь 18ХСАТЮД обладает несколько более высокой стойкостью, чем остальные стали типа 18СА-ТЮ, однако незначительно, в рамках обычного разброса. Наблюдаемые преимущества явно не компенсируют удорожание стали в результате дополнительного легирования хромом и медью.

Эти же стали были исследованы в морской воде. По результатам проведенных исследований оказалось, что они по коррозионной стойкости мало отличаются друг от друга. Расхождения значений не превышают 15-20%.

Следует отметить, что вывод о независимости скорости коррозии в морской воде от химического состава известных строительных сталей, в том числе и медьсодержащих, был сделан в Институте физической химии (г. Москва) на основании натурных исследований на коррозионной станции на берегу Баренцева моря. При этом были исследованы стали СтЗ, 15ХСНД, ЮХСНД и 10Г2СД.

Стали типа 18САТЮ имеют несколько более высокое сопротивление коррозии в морской воде, чем сталь ЮХСНД. В частности, новые стали менее склонны к питтингообразованию.

Добавки хрома и меди несколько повышают коррозионную стойкость (на 10-15%), но, исходя из экономических соображений, предпочтение для применения в металлоконструкциях, эксплуатирующихся в морской воде (например, в качестве шпунта), следует отдать стали 18САТЮ.

Эффективность стали типа 18САТЮ, по нашему мнению, заключается в гораздо менее развитой фазе неметаллических включений типа сульфидов марганца, чем в низколегированных рассматриваемых сталях. Легкорастворимые сульфиды марганца безусловно увеличивают скорость коррозии. Действительно, в цитированной выше работе было показано, что прямое уменьшение содержания серы в строительной стали с 0,033 до 0,008 % существенно увеличивало коррозионную стойкость этого материала в морской воде. Аналогичное действие могут оказывать пониженное содержание марганца и разбивка строчек сульфидов на точечные включения под действием титана в малоуглеродистых сталях типа 18САТЮ.

Проведенные испытания, демонстрирующие различие и общие черты трех подходов при оценке коррозии в условиях промышленного предприятия, города, а также железной дороги и морской воде, показали, что стали типа 18САТЮ обладают сопротивлением естественным агрессивным средам на уровне сталей типа COR TEN А и более высоким, чем у стали COR TEN В.

Среди рассмотренных сталей некоторое количественное преимущество имеет наиболее легированная сталь 18ХСАТЮД. Однако это преимущество находится в рамках обычного разброса и не компенсирует повышение стоимости стали из-за дополнительного легирования стали 18САТЮ хромом и медью. Поэтому в качестве малоуглеродистой стали с повышенной коррозионной стойкостью следует выбрать именно базовую малоуглеродистую сталь 18САТЮ.

Факторами обеспечения повышенной коррозионной стойкости рассматриваемых сталей являются, во-первых, отсутствие строчечных сульфидов из-за пониженного содержания марганца, т. е. фаза неметаллических включений присутствует не в виде строчек, а в виде точек, при этом в большом количестве присутствуют точечные сульфиды, нитриды алюминия, титана и т. п. Во-вторых, важным фактором является наличие мелкозернистой структуры с достаточным содержанием перлита, равным 10-13%. Кстати, именно в стали 18ХСАТЮД перлит находится в наиболее, по-видимому, оптимальных количествах (~18 %). На положительную роль увеличения содержания кремния для коррозионной стойкости стали рассматриваемого типа указано в работе. Дополнительное же легирование, не изменяя микроструктуру стали, слабо влияет и на коррозионную стойкость материала.

Точечные неметаллические включения, а также зерна перлита, выходя на поверхность, увеличивают сцепление поверхности металла с начальной оксидной пленкой, тем самым повышая коррозионную стойкость сталей. Именно в этом, по нашему мнению, заключается основной механизм повышенной коррозионной стойкости стали типа 18САТЮ.

В настоящее время идет дискуссия, какой из факторов является главным в атмосферной коррозии строительных сталей — фактор увеличения стойкости благодаря протекторному действию пленки под влиянием среды, того или иного легирования и изменения структуры или фактор пассивации поверхности металла при действии среды и легирования. Полученные результаты свидетельствуют в пользу первого предположения.

Дополнительное легирование малоуглеродистой стали с нитридным упрочнением 18САТЮ небольшими количествами хрома (~0, 5 %), меди (~0, 3 %) и комбинацией этих элементов мало повлияло на микроструктуру проката микролегированной малоуглеродистой стали и механические свойства, соответствующие С345-4 и С375-4. Слабо изменялось (в лучшую сторону) под влиянием принятого дополнительного легирования сопротивление коррозии в морской воде, а также в атмосферах, типичных для промышленной и городской сред и для железнодорожного транспорта.

По-видимому, целесообразно дополнительное легирование микролегированной нитридами малоуглеродистой стали 18САТЮ, обладающей достаточно высокими механическими свойствами и коррозионной стойкостью. Полученное улучшение свойств не компенсируется затратами на легирование, если, разумеется, соотношение цен на легирующие элементы не изменится.