Всеобъемлющий обзор по атмосферостойкой стали

Что такое атмосферостойкая сталь?

Атмосферостойкая сталь, также известная как сталь, устойчивая к атмосферной коррозии, - это низколегированная высокопрочная сталь, в состав которой входит небольшое количество легирующих элементов для повышения ее устойчивости к коррозии в атмосферных условиях. Ее коррозионная стойкость в 2-8 раз выше, чем у обычной углеродистой стали, причем защитный эффект со временем становится все более выраженным. Помимо отличной атмосферостойкости, атмосферостойкая сталь обладает превосходными механическими свойствами и свариваемостью, что делает ее широко применимой в железнодорожном транспорте, мостах и грузовых контейнерах.

В отличие от нержавеющей стали, атмосферостойкая сталь не невосприимчивость к ржавчине. Вначале она корродирует так же, как и обычная углеродистая сталь, но со временем ее поведение меняется. После периода ржавления на поверхности стали накапливаются микроэлементы, такие как медь (Cu) и фосфор (P), образуя плотный, аморфный слой ржавчины. Этот слой плотно прилегает к основному металлу, выступая в качестве барьера, который частично защищает его от влаги и вредных ионов в атмосфере, тем самым предотвращая дальнейшую коррозию.

Атмосферостойкая сталь может использоваться с покрытиями, оставаться без покрытий или подвергаться стабилизирующей обработке, при этом требования к покрытиям идентичны требованиям для обычной углеродистой стали. Особым преимуществом является возможность использования без покрытия, что исключает необходимость в покраске. В районах с минимальным загрязнением воздуха или умеренной влажностью выветривающаяся сталь может подвергаться прямому воздействию атмосферы без покраски. Как правило, примерно через год слой ржавчины стабилизируется, останавливая дальнейшую коррозию и приобретая эстетически приятный шоколадно-коричневый оттенок. Такая сталь не подвержена таким проблемам, как старение краски, и не нуждается в обслуживающих покрытиях, что значительно сокращает расходы на содержание и позволяет избежать потерь, связанных с перерывами в покраске.

История развития

С начала XX века в таких странах, как США, Германия, Великобритания и Япония, проводились масштабные исследования в области атмосферостойкой стали. Еще в 1916 году ученые из Европы и США обнаружили, что медь повышает коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях. В том же году Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM) начало исследования атмосферной коррозии. Исследователи, такие как К.П. Ларраби, собирали данные о коррозии, выявляли закономерности и изучали основные механизмы. В 1930-х годах корпорация U.S. Steel разработала сталь Corten - высокопрочную, медьсодержащую, низколегированную сталь с превосходной коррозионной стойкостью. К 1960-м годам кортеновская сталь использовалась в зданиях и мостах в неокрашенном виде, причем наиболее распространенными вариантами стали высокофосфористая медно-хромо-никелевая серия Corten A и хромо-марганцево-медная серия Corten B. Погодозависимая сталь получила широкое распространение в Европе и Японии. Сегодня она рассматривается как стандартный тип стали во всем мире, с подробными спецификациями, регулирующими ее разработку, применение и проектирование. В таблице 1 приведены основные этапы глобального развития атмосферостойкой стали.

В Китае исследования атмосферостойкой стали и испытания на атмосферное воздействие начались в 1960-х годах. В 1965 году было успешно осуществлено пробное производство атмосферостойкой стали 09MnCuPTi, что привело к созданию первого в Китае железнодорожного грузового вагона из атмосферостойкой стали. Национальная комиссия по науке и технике и Фонд естественных наук Китая создали общенациональную сеть станций по испытанию коррозии в окружающей среде, начав в 1983 году 20-летнюю пятицикловую работу по сбору данных. Используя ресурсные преимущества Китая, исследователи разработали несколько марок стали, включая серию 08CuPVRE компании Ansteel, серию 09CuPTi компании Wuhan Steel, 09MnNb компании Jinan Steel, 10CrMoAl и 10CrCuSiV компании Shanghai No. 3 Steel Plant.

Марки атмосферостойкой стали

Ниже представлен обзор некоторых известных марок стали, подверженных атмосферным воздействиям, включая международные стандарты и примеры основных производителей, таких как США, Япония и Китай.

Кортеновая сталь (Соединенные Штаты)

Кортеновая сталь, разработанная корпорацией U.S. Steel в 1930-х годах, является одной из самых известных марок атмосферостойкой стали. Она подразделяется на две основные серии:

Кортен A

• Состав: Высокое содержание фосфора (P: 0,07%-0,15%), меди (Cu: 0,25%-0,55%), хрома (Cr: 0,5%-1,25%), никеля (Ni: 0,65% max), а также следы других элементов, таких как кремний (Si).
• Характеристики: Отличная коррозионная стойкость благодаря высокому содержанию фосфора, который способствует образованию плотного защитного слоя ржавчины. Она также обладает хорошей свариваемостью и механической прочностью.

Кортен B

• Состав: Низкое содержание фосфора (P: ≤0,025%), меди (Cu: 0,20%-0,40%), хрома (Cr: 0,40%-0,65%), марганца (Mn: 0,50%-1,25%) и ванадия (V: 0,02%-0,10%).
• Характеристики: Ориентирован на повышенную прочность и вязкость, а не на экстремальную коррозионную стойкость. Пониженное содержание фосфора делает его более подходящим для толстых секций.

SPA-H (Япония)

• Стандарт: JIS G3125 (японский промышленный стандарт)
• Состав: Медь (Cu: 0,25%-0,60%), фосфор (P: 0,07%-0,15%), хром (Cr: 0,30%-1,25%), никель (Ni: ≤0,65%), кремний (Si: 0,25%-0,75%).
• Характеристики: Высокопрочная атмосферостойкая сталь с отличной коррозионной стойкостью, предназначенная для сварных конструкций. Быстро образует устойчивый слой ржавчины, обеспечивая долговечность во влажной и промышленной среде.

Китайские марки атмосферостойкой стали

В Китае разработано несколько марок стали для атмосферных воздействий, часто в зависимости от наличия ресурсов и промышленных потребностей:

Q235NH

• Состав: Марганец (Mn: 0,20-0,60%), медь (Cu: ≤0,15%), фосфор (P: ≤0,03%).
• Характеристики: Предел текучести ≥ 235 МПа, предел прочности при растяжении 360-510 МПа, коррозионная стойкость в 2-3 раза выше, чем у обычной углеродистой стали, подходит для применения в условиях низких нагрузок, таких как карнизы и ограждения зданий.

Q295NH

• Состав: C≤0.16%、Mn 0.50-1.00%、Cu 0.20-0.60%、Cr 0.30-0.80%.
• Характеристики: Предел текучести ≥ 295 МПа, предел прочности при растяжении 430-570 МПа, с лучшей погодоустойчивостью, чем Q235NH, широко используется в железнодорожном транспорте и общих структурных компонентах.

Q355NH

• Состав: C≤0.16%、Mn 0.90-1.50%、Cu 0.25-0.55%、Cr 0.30-1.25%.
• Характеристики: Предел текучести ≥ 355 МПа, предел прочности при растяжении 470-630 МПа, удлинение ≥ 22%, хорошая свариваемость, подходит для производства контейнеров и машин.

Q460NH

• Состав: C≤0.18%、Mn 1.00-1.60%、Cu 0.25-0.55%、Cr 0.40-1.25%.
• Характеристики: Предел текучести ≥ 460 МПа, предел прочности при растяжении 570-730 МПа, коррозионная стойкость в 3-4 раза выше, чем у обычной углеродистой стали, используется для тяжелого оборудования и высоконагруженных конструкций.

Q295GNH

• Состав: C ≤ 0,12%, P 0,07-0,15%, Cu 0,25-0,55%, Cr 0,30-1,25%
• Характеристики: Коррозионная стойкость в 4-6 раз выше, чем у обычной углеродистой стали, с плотным слоем ржавчины, подходящим для применения на открытом воздухе, например, в скульптурах и открытых объектах.

Q345GNH

• Состав: C ≤ 0,12%, P 0,07-0,15%, Cu 0,25-0,55%, Ni ≤ 0,25%
• Характеристики: Предел текучести ≥ 345 МПа, предел прочности при растяжении 490- 630 МПа, отличная устойчивость к морской атмосферной коррозии, используется в прибрежных зданиях и башнях ветряных турбин.

Q460GNH

• Состав: C ≤ 0,12%, P 0,07-0,15%, Cu 0,25-0,55%, Cr 0,50-1,50%
• Характеристики: Предел текучести ≥ 460 МПа, предел прочности на растяжение 570-730 МПа, высокое содержание фосфора ускоряет стабилизацию слоя ржавчины, подходит для химических контейнеров.

Европейские стандарты (EN 10025-5)

Европейский стандарт EN 10025-5 определяет атмосферостойкие стали под обозначением "S" (конструкционная сталь) с приставкой "W" для атмосферостойких свойств:

S355J2W

• Состав: Медь (Cu: 0,25%-0,55%), хром (Cr: 0,40%-0,80%), фосфор (P: ≤0,035%), марганец (Mn: 0,50%-1,50%).
• Характеристики: Обладает пределом текучести 355 МПа и отличными атмосферостойкими свойствами, образуя со временем устойчивый слой ржавчины.

S355K2W

• Состав: Аналогична S355J2W, со слегка измененным легированием для повышения прочности (K2 означает повышенную ударную вязкость).
• Характеристики: Улучшенные низкотемпературные характеристики наряду с коррозионной стойкостью.

Стандарты ASTM (Соединенные Штаты)

ASTM предоставляет спецификации для атмосферостойких сталей, которые часто пересекаются с марками Corten:

ASTM A588

• Классы: A588 Класс A, B, C, K
• Состав: Зависит от сорта; обычно Cu: 0,25%-0,40%, Cr: 0,40%-0,70%, Ni: ≤0,50%, P: ≤0,04%, с ванадием или ниобием в некоторых марках.
• Характеристики: Высокопрочная низколегированная сталь с минимальным пределом текучести 345 МПа. Класс K включает дополнительные элементы для обеспечения превосходной коррозионной стойкости.

ASTM A242

• Состав: Медь (Cu: 0,20% min), хром (Cr: 0,50%-1,25%), фосфор (P: ≤0,15%).
• Характеристики: Один из самых ранних стандартов атмосферостойкой стали, обеспечивающий хорошую коррозионную стойкость для тонких профилей.

Ключевые особенности для всех классов

Устойчивость к коррозии: На всех марках образуется защитный налет ржавчины, который замедляет дальнейшую коррозию, с различиями в зависимости от содержания сплава (например, более высокий уровень P в Corten A, более высокий уровень Cr в S355J2W).

Механические свойства: Предел текучести обычно составляет от 235 МПа (например, SPA-H) до 355 МПа (например, S355J2W, A588), при этом некоторые марки оптимизированы для повышения вязкости или свариваемости.

Настройка: Такие марки, как китайская 08CuPVRE, содержат редкие земли, а другие, например 10CrMoAl, ориентированы на конкретные условия эксплуатации (например, промышленную атмосферу).

Механические свойства атмосферостойкой стали

Механические свойства флюсовой стали, подробно описанные в следующей таблице, сопоставимы со свойствами высокоуглеродистой или низколегированной стали. Однако от флюсовой стали требуются хорошие характеристики при холодной обработке.

Микроструктура стали, подверженной атмосферным воздействиям, обычно состоит из феррит и перлит. Уровень оксидных включений не должен превышать Grade 2, сульфидных включений - Grade 2.5, а размер зерен должен быть не крупнее Grade 7.

Легирующие элементы атмосферостойкой стали

По сравнению с обычной углеродистой сталью, атмосферостойкая сталь обладает повышенной устойчивостью к атмосферной коррозии благодаря легирующим элементам, которые снижают электропроводность ржавого слоя и препятствуют быстрому росту продуктов коррозии. Ее коррозионная стойкость становится очевидной после длительного воздействия. Легирующие элементы, повышающие стойкость к атмосферной коррозии, должны: (1) иметь более высокую растворимость в железе, чем в слое ржавчины; (2) образовывать твердый раствор с железои (3) повышают электрохимический потенциал стали. Исследования показывают различное влияние различных легирующих элементов на характеристики атмосферостойкости.

Углерод

Углерод негативно влияет на стойкость к атмосферной коррозии, а также на свариваемость, хладноломкость и штамповка свойства. Как правило, его массовая доля в стали, подверженной атмосферным воздействиям, не превышает 0,12%.

Медь и сера

Добавление меди в количестве 0,2%~0,4% значительно повышает коррозионную стойкость в сельской, промышленной или морской атмосфере по сравнению с обычной углеродистой сталью. Медь заметно противодействует вредному воздействию серы, причем ее эффективность возрастает по мере увеличения содержания серы, что связано с образованием нерастворимых сульфидов. Снижение остаточного содержания серы до 0,01% повышает характеристики атмосферостойкости углеродистой стали до уровня, близкого к уровню Corten B, а легированной стали - до уровня Corten A.

Фосфор

Фосфор - один из самых эффективных элементов, повышающих устойчивость к атмосферной коррозии. Он равномерно растворяется в стали, образуя на поверхности плотную защитную пленку. Оптимальная коррозионная стойкость достигается при содержании фосфора 0,08%-0,15%.

Хром

Хром образует плотную оксидную пленку на поверхности стали, усиливая пассивацию и замедляя рост ржавчины. Обычно содержание хрома колеблется в пределах 0,4%-1,0% (до 1,3%), при этом ярко выраженный эффект наблюдается при сочетании с медью.

Никель

Никель, стабильный элемент, положительно изменяет потенциал самокоррозии стали, повышая ее устойчивость. Испытания на воздействие атмосферы показывают, что никель в концентрации около 4% значительно повышает коррозионную стойкость в прибрежной среде.

Кальций

Следовые количества кальция повышают общую устойчивость к атмосферной коррозии и предотвращают появление ржавчины в процессе эксплуатации. Кальций образует CaO и CaS, которые растворяются в поверхностной пленке электролита, повышая щелочность, снижая коррозионную активность и способствуя образованию плотной, защитной фазы ржавчины α-FeOOH.

Марганцовка

Мнения о влиянии марганца на коррозионную стойкость различны. Большинство исследователей сходятся во мнении, что он повышает устойчивость к морской атмосфере, но не оказывает существенного влияния в промышленных условиях. Содержание марганца обычно колеблется в пределах 0,5%-2,0%.

Молибден

При 0,4%-0,5% молибден снижает скорость коррозии более чем на 50% в атмосферных условиях, особенно в промышленной среде.

Редкоземельные элементы

Редкоземельные элементы (РЗЭ), добавляемые в количестве ≤0,2%, используются в бесхромовых и никелевых атмосферостойких сталях. Обладая высокой реакционной способностью, они действуют как раскислители и десульфураторы, рафинируя зерно, уменьшая количество вредных включений и повышая коррозионную стойкость за счет минимизации мест возникновения коррозии.

Применение атмосферостойкой стали

Стальной лист не только обладает хорошей устойчивостью к атмосферным воздействиям, но и имеет определенную степень технологичности. Его можно резать, сваривать, гравировать и использовать другие методы обработки для удовлетворения различных сложных требований к конструкции. Особенно в современном строительстве и, применение погодного стального листа имеет широкие перспективы.

Строительство

Погодные стали в основном используются в строительной сфере для производства стальных конструкций, мостов, ограждений для автомагистралей и т.д.. Благодаря своей превосходной коррозионной стойкости, атмосферостойкая сталь может значительно продлить срок службы этих конструкций, уменьшить частоту технического обслуживания и замены, а также снизить эксплуатационные расходы. В то же время уникальный внешний вид флюгерной стали может придать зданию неповторимую эстетику.

Железнодорожный транспорт

В железнодорожном и транспортном секторе атмосферостойкие стали в основном используются при производстве железнодорожных путей, транспортных средств, контейнеров и т.д. Эти объекты часто подвергаются воздействию суровых условий окружающей среды. Эти объекты часто подвергаются воздействию суровых условий окружающей среды, таких как дождь, снег, ветер, песок и т.д. Атмосферостойкие стали обеспечивают отличную защиту от коррозии, что гарантирует длительную стабильную работу объектов.

Сельское хозяйство

Области применения флюсовой стали в сельском хозяйстве в основном включают сельскохозяйственную технику и тепличные конструкции. Поскольку выветривающаяся сталь обладает хорошей коррозионной стойкостью и антивозрастными свойствами, она может адаптироваться к различным суровым условиям окружающей среды и обеспечивать надежную поддержку и защиту сельскохозяйственного производства и объектов.

Нефтехимическое месторождение

В нефтехимической промышленности атмосферостойкая сталь в основном используется для изготовления резервуаров, трубопроводов, клапанов и других объектов. Эти объекты часто подвергаются воздействию агрессивных сред, таких как кислоты, щелочи, соли и т.д. Атмосферостойкая сталь может обеспечить хорошую защиту от коррозии и продлить срок службы объектов.

Заключение

Коррозионная стойкость и экономичность стали делают ее жизненно важным материалом, имеющим непреходящую актуальность. Будущие исследования должны опираться на мировой опыт, используя при этом уникальные ресурсы и технические преимущества Китая. Основное внимание должно быть уделено разработке высокоэффективных и высококачественных выветривающихся сталей, отвечающих экологическим и региональным потребностям Китая, а также методам быстрой стабилизации ржавчины на поверхностных слоях.

О компании SogaWorks

SogaWorks - это универсальная онлайн-платформа для изготовления механических деталей на заказ, объединяющая более 1 000 лучших заводов для обслуживания стартапов и крупных компаний. Мы предлагаем гибкие производственные решения для быстрого создания прототипов, мелкосерийного тестирования и крупносерийного производства с такими услугами, как обработка на станках с ЧПУ, 3D-печать, изготовление листового металла, литье уретана и литье под давлением. Благодаря нашему механизму котирования, работающему на основе искусственного интеллекта, SogaWorks может предоставлять котировки за 5 секунд, подбирать лучшие мощности и отслеживать каждый шаг. Это сокращает сроки поставки и повышает качество продукции.