Коррозионная стойкость углеродистых сталей

Обновлено: 06.01.2025

Сплавы на основе железа обладают рядом высоких механических свойств и сравнительно недороги в производстве, поэтому они получили наиболее широкое применение во всех отраслях промышленности. Производство углеродистых и низколегированных сталей составляет около 70% от выпуска всех вместе взятых металлических материалов.

Однако эти материалы обладают невысокой коррозионной стойкостью в большинстве природных и промышленных сред и требуют применения соответствующих мер по защите от коррозии.

Объясняется это тем, что на железе, углеродистых и низколегированных сталях анодный процесс протекает без существенного торможения и практически без возникновения пассивного состояния. Катодный процесс характеризуется малым торможением реакции восстановления кислорода и существенным торможением за счет ограниченной доставки кислорода в зону катодной реакции.

К тому же продукты коррозии железа также слабо тормозят коррозионный процесс вследствие непрочности сцепления с основным металлом и их частичной растворимости в воде.

Содержание в углеродистой стали таких компонентов как углерод, марганец, кремний, фосфор, медь не имеет существенного влияния на скорость коррозии. Примеси серы и азота выше допустимых концентраций могут ускорять коррозионный процесс.

В последние годы наблюдается тенденция к увеличению использования низколегированных сталей с небольшим (2-3% в совокупности) содержанием хрома, никеля, марганца, меди и кремния. Применение таких сталей позволяет существенно уменьшить металлоемкость конструкций и сооружений, трудоемкость, потребление энергии, улучшить технические характеристики объектов техники. Однако использование легирующих добавок в таких количествах практически не влияет на коррозионную стойкость сталей.

Большое влияние на скорость коррозии оказывает прокатная окалина. Она имеет высокую электропроводность, а ее стационарный потенциал в морской воде на 0,3-0,5 В более положителен, чем потенциал стали, причем эта разница наибольшая для сталей, легированных хромом и медью. Поэтому обязательным является удаление окалины в процессе подготовки поверхности перед окрашиванием.

Наличие окалины, остатков краски, условия дифференциальной аэрации в потоке воды, механические нагружения и пр. способствуют развитию язвенной коррозии, скорость которой может составлять до 0,4-1,0 мм/год.

Различие в коррозионном поведении различных марок сталей проявляется главным образом в сварных соединениях. Это определяется разностью электродных потенциалов трех элементов сварного соединения: основной металл, сварной шов, околошовная зона (зона термического влияния). Поэтому выбор сварочных электродов и технологии сварки производится с таким расчетом, чтобы три указанных элемента имели приблизительно одинаковые потенциалы. Это достигается применением соответствующих сварочных материалов.

Рассказать друзьям:

Всё об углеродистой стали – от состава до применения

Центральное место во всем промышленном материаловедении занимает сталь. С ее помощью успешно решают большинство технических задач. К услугам инженера — огромный диапазон вариантов: начиная от самой простой строительной арматуры и заканчивая хромоникелевой нержавейкой, способной работать в условиях открытого космоса.

Наибольшего внимания заслуживает углеродистая сталь и ее марки. Они лишены значимых легирующих добавок и потому представляют собой исключительно композицию железа и углерода в чистом виде. Познакомиться с углеродистыми сталями поближе — значит понять основополагающие принципы, как ведут себя все сплавы из категории «черных» и от чего зависят их рабочие характеристики.

Классификация и марки

Лишь у некоторых уникальных промышленных материалов есть полноценные имена — в честь их изобретателей или каких-то особенных свойств. Остальные довольствуются условным обозначением — т.н. маркой, внутри которой зашифрована ключевая информация. Марку можно сравнить с разновидностью, чей состав и структура жестко определены и неизменны.

Условно все углеродистые стали делят на несколько категорий, используя два определяющих параметра: химсостав материала или его функциональное применение. Причем марки, соседствующие в одной группе по первому делению, с большой долей вероятности станут коллегами и при оценке рабочих свойств.

По химическому составу

Ключевым параметром, на который обращают внимание при знакомстве с любой маркой стали, становится процент содержания углерода. Различают три вида:

05кп, 08кп, 10, 15, 20, Ст0, Ст1, Ст2

25, 35, 45, 55, Ст3, Ст4, Ст5, Ст6

58, 60, 65, 70, 75, 80, 85, У9, У12, У13

Низкоуглеродистые стали предназначены преимущественно для изготовления сварных изделий — за счет малой доли углерода они очень податливы к любым процессам сварки, не склонны к образованию флокенов и трещин, легко поддаются механическому резанию и изгибу. В целом, они вязкие и с низкой прочностью.

Термическое упрочнение (закалка, улучшение) не дают ощутимого эффекта по росту прочности или твердости. Зато собственное низкое содержание углерода позволяет применить к материалу особый вид химико-термической обработки — цементацию. Поверхностные слои насыщаются углеродом из внешнего источника, после чего реакция на закалку становится уже совершенно иной. Твердость поверхности зашкаливает, а сердцевина по-прежнему остается мягкой и может работать как гаситель напряжений.

Среднеуглеродистые стали — наиболее ходовые и популярные благодаря своей «серединности» и универсальности. Они лишены недостатков остальных граничных групп и обладают собственными достоинствами.

В частности, такие марки стабильно и уверенно реагируют на закалку, набирая нужную прочность и твердость без дополнительных ухищрений. Но сварку следует вести с осторожностью — увеличенная доза углерода может приводить к развитию трещин при кристаллизации шва.

Их используют для производства деталей машин и механизмов, которые постоянно испытывают рабочие нагрузки. Это разнообразные шестерни, рычаги, колеса, шкивы ременных передач, валы и оси. Углеродистые стали всегда дешевле любых легированных, поэтому марки со средним содержанием углерода предпочтительны, если конечное изделие не испытывает негативного воздействия коррозии, нагрева или охлаждения. Тяжелая работа в обычных условиях — это пример применения таких сплавов.

Высокоуглеродистые стали вообще не рекомендуется варить: они очень склонны к образованию трещин, флокенов и остаточных напряжений в зоне шва. За счет высокой доли углерода на закалку реагируют лучше всех остальных. Результатом становится очень высокая твердость и прочность, вплоть до возникновения пружинящих свойств.

Такие марки закладывают для изготовления специальных деталей машин, пружин различной конфигурации (плоские, витые, тарельчатые), режущего и слесарного инструмента.

По области применения

С учетом химического состава, «круг обязанностей» каждой марки уже предопределен, как и сфера, где ее можно использовать максимально эффективно. Поэтому все углеродистые стали разделили на три категории по области применения:

Категория	Группа	Примеры марок
Конструкционные	Общего назначения	Ст0, Ст1, Ст2, Ст3, Ст4, Ст5, Ст5
	Качественные	05кп, 08кп, 10, 15, 20, 35, 45, 50, 55, 60
	Повышенной обрабатываемости	А11, А20, А30, А35
Инструментальные	-	У8, У10, У11, У12А
Специальные	Рессорно-пружинные	65, 70, 75, 80, 85
	Для строительных конструкций	С235, С285, С590К
	Подшипниковые	ШХ4
	Для крановых рельс	К63

Конструкционные углеродистые стали предназначены для изготовления деталей машин и металлоконструкций. Их активно используют во всех сферах промышленности — начиная от металлообработки и заканчивая возведением атомных электростанций.

Среди них выделяют три основных группы:

общего назначения — марки со стандартной степенью очистки от постоянных примесей. Нужно преимущественно для сварных строительных конструкций, корпусных деталей и ненагруженных элементов;
качественные — повышенной степени очистки и с улучшенными механическими свойствами. Применяются для производства деталей машин и крепежа;
повышенной обрабатываемости — с максимально стабильной структурой и постоянством физико-механических свойств по всему объему. Такой материал идет в работу на автоматические линии.

Инструментальные углеродистые стали могут похвастать куда большим содержанием углерода, чем все остальные «родственники» — от 0,66 до 1,35%. Такие сплавы используют для производства:

режущего инструмента — для работ по дереву, пластику, мягким цветным сплавам и незакаленной стали;
мерительного инструмента;
слесарного инструмента;
оснастки для холодной штамповки;
вспомогательной станочной оснастки.

Главное преимущество инструментальных марок — очень сильная реакция на закалку, увеличенная износостойкость, твердость и прочность.

Углеродистая сталь для строительных конструкций идет на массовый выпуск фасонного проката: швеллера, тавровой и двутавровой балки, уголков. В сплавах этого типа заложено мало углерода и ощутимое количество примесей кремния и марганца (до 0,5..0,8%), чтобы обеспечить необходимую вязкость, устойчивость и хорошее восприятие сварочных процессов.

Очень интересна марка ШХ4, случайно попавшая в группу подшипниковых как единственная нелегированная сталь. Ее используют для производства колец железнодорожных подшипников. Содержание углерода там изрядное — в пределах 0,95 до 1,05% — и присутствует щепотка хрома — 0,35..0,5%.

Марку К63 (или просто 63) применяют исключительно для горячей прокатки специального сортамента — рельс крановых путей. Этот сплав обеспечивает необходимый баланс между прочностью, износостойкостью и стрессоустойчивостью. Материал постоянно работает с высокими нагрузками и фрикционным износом от катания колес.

Свойства углеродистых сталей

При рассмотрении той или иной марки, инженера интересует химический состав не сам по себе, а как прямое указание на возможные физико-механические свойства. А те, в свою очередь, отражают диапазон функций, которые характерны для материала.

И с оглядкой на такую взаимосвязь можно сделать утверждение, что каждая марка углеродистой стали по-своему уникальна, потому что обладает собственным, неповторимым набором характеристик.

Прочностные характеристики

Первым параметром, на который ориентируются при проектировании любой конструкции, становится умение материала сопротивляться действующим нагрузкам. Это комплексная характеристика, в которую войдут:

предел прочности — размер силовой нагрузки, при которой металл разрушается;
предел текучести — размер силовой нагрузки, при которой металл начинает деформироваться;
ударная вязкость — способность сопротивляться внезапным силовым воздействиям;
относительное удлинение при разрыве — насколько металл будет удлиняться перед тем, как окончательно «порваться» под действием радикальной силовой нагрузки, превышающей предел прочности;
твердость — способность сопротивляться внедрению иного твердого тела.

Все эти показатели тесно связаны между собой. И по их оценке можно легко предсказать, как материал поведет себя в работе.

Связь между отдельными механическими характеристиками сплава не всегда прямая. Например, предел прочности всегда в 1,7..2,2 раза больше предела текучести. Зато, чем выше предел прочности сплава — тем зачастую меньшую величину относительного удлинения при разрыве он покажет.

Механические характеристики углеродистых сталей растут вместе с содержанием углерода. Этот элемент — главный признак всех возможностей сплава.

Ниже в таблице приведены ориентировочные показатели разных категорий сталей в «сыром» состоянии.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Коррозионная стойкость углеродистых сталей снижается главным образом наличием примесей серы, которая вызывает межкристаллитную коррозию, образуя с железом и марганцем сульфиды, которые концентрируются по границам зерен. Примеси серы в небольших количествах межкристаллитную коррозию углеродистых сталей не вызывают. [1]

Коррозионная стойкость углеродистой стали в масляной и нафтеновой кислотах представлена на рис. 15.2 - 15.4. С данными по коррозионной стойкости металлов и сплавов в масляной кислоте можно познакомиться также в гл. [3]

Коррозионная стойкость углеродистых сталей в масляных альдегидах зависит от температуры и присутствия кислорода. В условиях хранения, без доступа воздуха, при 20 С, когда не происходит окисления альдегидов и образования масляной кислоты, сталь 20 корродирует равномерно с незначительной скоростью до 0 02 мм / год. [4]

Коррозионная стойкость углеродистой стали , из которой изготовлены сборники и хранилища хлорметанов, определяется влажностью последних. Если влага недостаточно полно удалена из продукта после нейтрализации или в процессе длительного хранения проникает из атмосферы, возможен гидролиз хлорметанов с образованием соляной кислоты. При этом углеродистая сталь подвергается значительным коррозионным разрушениям. Надежная защита сборников и хранилищ хлорметанов обеспечивается двухслойной футеровкой диабазовыми плитками на диабазовой замазке. [5]

Коррозионная стойкость углеродистой стали и эффективность ингибиторов коррозии в средах нефтепромыслов, содержащих повышенное количество двуокиси углерода и сероводород. Довременные проблемы буровой и нефтепромысловой механ: ки: Ыежвуэ. [6]

Если коррозионная стойкость углеродистой стали оказывается по тем или иным причинам недостаточной, применяют монель. На запроектированных в последнее время установках колонны вторичной перегонки фтористоводородной кислоты изготовляют из массивного монеля или стали, облицованной монелем. Такая защита необходима вследствие интенсивного турбулентного движения паров фтористоводородной кислоты и воды. На установках фтористоводородного алкилирования наиболее интенсивная коррозия наблюдается в колоннах вторичной перегонки кислоты, предназначенных для выделения воды. Большое число колонн вторичной перегонки кислоты запроектировано трехсекционными, и только средняя секция выполнена из монеля или облицована монелем. Конденсаторы дистиллята и кипятильник, связанные с секцией вторичной перегонки, оборудуются трубами из монеля, облицованными монелем коллекторами и трубными решетками для ограничения коррозии внутренней поверхности труб. Клапаны, работающие в концентрированной или разбавленной фтористоводородной кислоте, снабжаются облицовкой из монеля; такие клапаны дают весьма хорошие эксплуатационные показатели. [7]

Изучалась коррозионная стойкость углеродистой стали , чугуна, нержавеющи сталей, титана в концентрированных растворах / VH4 tl / а U 7 насыщенных аммиаком и углекислотой. Оборудование из стали и чугуна рекомендуется защищать эпоксидными композициями и гуммированием или вводить в качестве ингибитора сульфид натрия. Для подавления точечной коррозии нержавеющих сталей рН технологических сред должно быть выше 8 5; в охлаждающие рассолы ( / S & Я и Со. Наиболее стойким материалом в этих средах является титан. [8]

Повышение коррозионной стойкости углеродистой стали может быть достигнуто обычными методами поверхностного термодиффузионного насыщения алюминием, кремнием, хромом и другими металлами, дающими пассивирующую пленку. [10]

Показатели коррозионной стойкости углеродистой стали различных способов изготовления и чугуна, различаются незначительно. Существующее широко распространенное мнение о том, что чугун значительно более стоек в почвенных условиях, чем сталь, ошибочно и основано на том, что у чугунных изделий ( в частности, труб) в большинстве случаев стенки бывают толще, чем у стальных. Поэтому и создается впечатление о значительной стойкости чугуна. [11]

Типичным примером может служить изменение коррозионной стойкости углеродистой стали в разбавленной серной кислоте. После закалки сталь имеет мартенсит-ную структуру - твердый однофазный раствор, скорость коррозии которого в 1 % - ной серной кислоте незначительна. Решающее значение при этом имеет температура отжига, или отпуска. [12]

В сборнике изложены новые исследования коррозионной стойкости углеродистой стали , чугуна, нержавевдих сталей и других материалов в. [13]

Типичным примером может служить изменение коррозионной стойкости углеродистой стали в разбавленной серной кислоте. После закалки сталь имеет мартенсит-ную структуру - твердый однофазный раствор, скорость коррозии которого в 1 % - ной серной кислоте незначи-телфна. Решающее значение при этом имеет температура отжига или отпуска. [14]

Диффузионными покрытиями можно значительно повысить коррозионную стойкость углеродистых сталей в разбавленных водных растворах неорганических кислот. Наибольшей стойкостью к действию 10 % - й HNOa обладают хромотитанированные и хромоалитированные стали, несколько уступают им хромированные и хромотитаноалитированные стали. Борированные и особенно хромосилицированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в 40 % - й НзР04 - Хромированные стали устойчивы к коррозии в 3 % - м водном растворе NaCl ( морской воде), но лучшие результаты получены после цирконоалитирования и титано-алитирования сталей. [16]

При температурах стенки более 80 С коррозионная стойкость углеродистой стали весьма мала. В этих условиях эту сталь необходимо защищать от коррозии покрытиями из других металлов либо неметаллических материалов. [17]

Наряду с лабораторными опытами проводили испытания коррозионной стойкости углеродистой стали и чугуна в заводских условиях. [18]

Незначительные количества легирующих элементов могут повысить коррозионную стойкость углеродистых сталей в ртути. [19]

Что касается влияния некоторых постоянных примесей на коррозионную стойкость углеродистой стали в почвенных усло: виях, то оно в большей мере зависит от состава почв, чем от состава стали. Все же существует точка зрения [21], что такие примеси, как сера и марганец, понижают стойкость против подземного разъедания. [20]

Поэтому необходимо знать, как влияют на коррозионную стойкость углеродистой стали примеси , которые могут присутствовать в аммиачной воде, в первую очередь двуокись углерода СС2, являющаяся ее неизбежным спутником. В табл. III-4 приведены данные о влиянии примеси 1 % СО2 на коррозию малоуглеродистой стали в аммиачной воде. Из таблицы следует, что при содержании в ней такого количества СО2 ее влияние практически невелико и не может препятствовать использованию малоуглеродистой стали в качестве конструкционного материала для изготовления оборудования, контактирующего с аммиачной водой. [22]

Исследования и опыт эксплуатации установок показали, что коррозионная стойкость углеродистых сталей при обеспечении чистоты кислородсодержащей воды может считаться вполне приемлемой. В потоке обессоленной воды, содержащей растворенный кислород при концентрации 0 1 - 10 мг / кг, углеродистая сталь заметно корродирует лишь первые 250 - 400 ч, действуя на глубину поверхности до 0 8 мкм. При этом на стенке образуется окисная плотная и прочная пленка, препятствующая дальнейшей коррозии. Это свойство проявляется во всем интервале рабочих температур воды и насыщенного пара, начиная от комнатной температуры. [24]

На рис. 152 показано влияние содержания меди на коррозионную стойкость углеродистой стали в атмосфере. Из опытов известно, что целесообразно сочетание легирования стали медью и хромом. [26]

Известно, что присадка меди в значительной степени повышает коррозионную стойкость углеродистых сталей даже при небольшом ее содержании. Хром и алюминий, как известно, повышают склонность стали к анодному пассивированию. [27]

При содержании меди в пределах 0 2 - 1 % коррозионная стойкость углеродистой стали повышается. Медистые стали применяются главным образом при изготовлении оборудования для работы в атмосферных условиях при повышенном содержании в воздухе углекислого и сернистого газа. [28]

Новый метод анодной электрохимической защиты может успешно использоваться для повышения коррозионной стойкости углеродистых сталей , нержавеющих сталей, титана и других промышленных сплавов. [30]

Читайте также: