Почему нержавеющая сталь ржавеет?
Получение сплава с высоким содержанием хрома стало особой вехой в металлургии. Появилась нержавеющая сталь, которая имеет прочностные характеристики высоколегированной стали, но при этом отлично сопротивляется окислительному влиянию среды. В 19 веке впервые была отмечена особенность сплава железа с хромом не окисляться на воздухе. В начале 20 века стали производить нержавеющие сплавы на промышленной основе. В наше время существует большое количество запатентованных сплавов, имеющих высокую химическую стойкость. Тем не менее существуют условия, при которых происходит разрушение материала. Это может быть растворение или окисление металла. Рассмотрим, при каких условиях нержавеющая сталь ржавеет.
Почему нержавеющая сталь не ржавеет
Хром, находящийся в составе нержавейки, не распределен равномерно по всей структуре сплава. Молекулы металла обволакивают кластеры железа. Чем мельче структура стали (выше аустенитность), тем равномернее распределяется хром по всему объему. Поэтому наиболее стойкие к коррозии марки, например, AISI 304, AISI 316, AISI 904l имеют очень низкое содержание углерода и, соответственно, супераустенитную структуру.
При внешнем механическом воздействии происходит частичное удаление оксидной пленки. При этом поверхность материала мгновенно восстанавливается за счет металлического хрома, находящегося в сплаве.
Для удержания хрома в стали состав легируют тугоплавким никелем и молибденом. Комплекс таких мер позволяет сохранять защитные свойства пленок из оксида хрома при разнообразных химических и температурных воздействиях.
Причины появления ржавчины на нержавеющей стали
Чтобы железо вступило в окислительную реакцию с каким-либо реагентом, должен произойти непосредственный контакт между веществами. Это происходит при нарушении защитного слоя из оксида хрома.
Рассмотрим, в каких случаях возможно разрушение оксидного слоя:
- Воздействие химическими реагентами, против которых хром бессилен. Это могут быть соединения хлора, серная и щавелевая кислоты.
- Перегрев сплава. При сильном нагреве происходит вымывание легкоплавкого хрома с поверхности.
- Применение сплавов в условиях, непредусмотренных технологией производства стали. Стоимость сплавов с высокой химической стойкостью значительно отличается от стандартной нержавейки. Например, марка AISI 201 хорошо зарекомендовала себя в конструкциях, которые эксплуатируются на улице. Но при воздействии сильных кислот она начинает разрушаться. Такая экономия приводит к поломке изделий, созданных без соблюдения требуемых технологий.
- Нарушение технологии при сварочных работах. Во время сварки происходит экстремальный нагрев рабочей зоны. Из-за этого с поверхности металла вымывается легкоплавкий хром. Проблему решают правильным подбором электродов под марку стали. Обычно используют электроды с прутком из нержавейки марки АИСИ 904L. За счет высокого содержания хрома и никеля восполняются потери защитных свойств. Локальный экстремальный нагрев может привести к появлению внутренних напряжений и, как следствие, к растрескиванию зоны шва. Эти дефекты наиболее уязвимы для окислительных процессов. Дополнительной защитой от коррозии является применение сварочного флюса и последующая обработка зоны шва.
- Несовместимость материалов. Если нержавеющая сталь находится в прямом контакте с обычном железом, то в месте соприкосновения окислительные процессы ускоряются и часто появляется классическая ржавчина. Это происходит из-за разного электрохимического потенциала материалов. Как пример, если использовать при монтаже водопроводной системы нержавеющие трубы и фитинги из обычной стали, то вся конструкция значительно быстрее выйдет из строя.
Избежать нежелательных коррозийных процессов можно путем подбора марок стали для соответствующих задач, соблюдением технологических операций при монтаже и сборке конструкций и выполнением всех рекомендаций по эксплуатации.
Виды коррозийных процессов
Различные марки стали окисляются по-разному в зависимости от состава материала и условий среды. Существует несколько видов коррозии.
Точечная
Из-за неравномерной структуры металла могут появиться множественные очаги окисления в точках с пониженной химической стойкостью. Это явление связано с электрохимическими процессами. Глубина поражения зависит от строения металла.
Щелевая
Это окисление сплава на большую глубину через трещины, которые появились в результате механического воздействия или термического расширения. Это опасный процесс, который приводит к значительному ослаблению прочности конструкции.
Гальваническая
Коррозия возникает вследствие контакта сплава с другим металлом. Окислительный процесс ускоряется, если у изделия и среды есть разность потенциалов. Похожие процессы можно наблюдать на клеммах аккумулятора.
Межкристаллическая
Такое окисление происходит после воздействия на материал экстремальными температурами при сварке или нагреве. Обволакивающий микрокристаллы хром вымывается с поверхностного слоя. Незащищенное железо легко окисляется. Глубина поражения может достигать значительных величин вплоть до разрушения места сварки.
Эрозионная
Коррозия происходит вследствие растворения поверхностного слоя материала агрессивными средами. Чаще всего встречается при контакте с жидкостями, в состав которых входят бром, хлор, фтор и йод. Похожие процессы могут наблюдаться и при взаимодействии с газами.
Как предотвратить коррозию нержавейки
Сплавов, которые не подвержены химическому воздействию, в природе не существуют. Даже такие благородные металлы как золото, платина и палладий растворяются в определенном кислотном составе. В результате эксплуатации на изделиях из нержавеющей стали могут появиться следы окисления.
Предотвратить это можно несколькими способами:
- Необходимо правильно использовать изделие. Так как допустимые рабочие состояния у сплавов значительно отличаются. Металл, который не меняет своих характеристик при эксплуатации на улице, может быстро покрыться следами разрушения при воздействии на него кислот или при нагреве более 300 градусов.
- Точно соблюдать технологические процессы при изготовлении конструкции. Например, для многих марок сталей при сварке требуется последующая обработка швов. При этом необходим подбор специальных электродов под каждый сплав.
- Производить дополнительную обработку поверхности путем создания трудно разрушаемой пленки. Это может быть пассивация, оксидирование. Даже полировка значительно замедляет коррозийные процессы за счет снижения площади поверхности соприкосновения с агрессивной средой.
- Использовать композитные стали, где сторона, подверженная окислению, покрыта устойчивым слоем сплава. Кислотостойкая нержавеющая сталь дороже обычных сортов. Применение композитных листов удешевляет конструкцию.
- Не допускать электрического контакта изделия из нержавейки с другими металлами.
- Провести комплекс мер, исключающих условия электролитической коррозии. Наличие разницы потенциалов между объектом и средой может привести к ускорению или замедлению коррозии. Применение электрической защиты распространено в нефтегазодобывающей отраслях. Таким методом защищают трубопроводные системы.
Как избавиться от следов ржавчины
Следы ржавчины резко меняют внешний вид изделия в худшую сторону. Во многих случаях устранить бурые следы достаточно просто и в домашних условиях.
Для этого надо:
- Стереть верхний слой абразивным материалом – наждачной бумагой от грубой до мелкой фракции. Финишную обработку производят войлоком с применением полировальных паст. Поверхность приобретает первоначальный вид и цвет.
- Окисленный слой удаляют с помощью химических реагентов. Это специальные кислотно-щелочные составы, которые можно приобрести в розничной продаже. Такой метод не выравнивает поверхность до состояния зеркала, она остается матовой.
- Радикальная косметическая мера – это воронение или другой способ оксидирования. При такой обработке на поверхности может появиться защитный декоративный слой с нужным цветом. Правильно подобранный химический состав позволяет получить изделие, окрашенное в черный, синий, зеленый, желтый, красный цвет и их оттенки.
Свойства нержавеющих сталей позволяют создавать механизмы, посуду, архитектурные конструкции, которые при правильной эксплуатации сохраняют свой внешний вид на долгие годы. Незначительные дефекты, появившиеся при экстремальном воздействии, легко удалить. При этом не теряется привлекательность изделия и не меняются технологические качества.