Кортеновская сталь: феномен уникальной ржавчины

В настоящее время марка Cor-Ten признана одним из наиболее знаменитых брендов среди сталей, способных противостоять воздействию атмосферы. Данная статья подробно рассматривает технические свойства и преимущества использования Cor-Ten, стали с повышенной устойчивостью к атмосферным воздействиям, в сфере строительства.

Кортеновская сталь, известная также под названием кортена, за последние годы стала символом современного дизайна и архитектуры. Её ржавый, но благородный внешний вид отлично вписывается как в городские, так и в частные ландшафты, делая её популярным выбором среди дизайнеров и архитекторов. Кортен не просто красив, он обладает высокой прочностью и долговечностью, что делает его идеальным материалом для внешней отделки зданий, создания оригинальных заборов, декоративных панелей и даже элементов ландшафтного дизайна, например, грядок.

Стали, обладающие устойчивостью к атмосферным коррозиям, это стандартные строительные стали, которые были дополнительно обогащены медью и фосфором. Этот состав способствует формированию на поверхности защитного слоя оксидов, который замедляет коррозийные процессы, позволяя стали оставаться на открытом воздухе, где она подвергается естественному увлажнению и высыханию. В прошлом эти сорта стали чаще всего находили применение в промышленных объектах, но сегодня они стали чрезвычайно популярны в сферах, связанных с оформлением фасадов и ландшафтного дизайна, благодаря уникальному цвету и текстуре Cor-Ten, которые высоко ценятся архитекторами. Помимо этого, сталь Cor-Ten относится к экологически чистым материалам, поскольку она не требует дополнительной защиты от коррозии.

История возникновения металла

В начале 20-го века в Соединенных Штатах были разработаны специальные сорта стали, обладающие высокой стойкостью к атмосферным воздействиям. Это открытие произошло после того, как ученые обратили внимание на повышенную устойчивость к разрушению стальных листов, легированных медью, по сравнению с обычными листами из углеродистой стали. Исследования, проведенные компанией U.S. Steel, включали тестирование множества образцов стали с разными химическими составами на предмет их физических свойств и устойчивости к воздействию атмосферы. В результате этих исследований была создана и в 1933 году запатентована сталь Кортен.

Изначальное применение стали Кортен заключалось в использовании её для производства бункерных конструкций в угольных вагонах, где она демонстрировала высокую стойкость как к механическим повреждениям, так и к коррозии, превосходя в этом углеродистую сталь. Впоследствии Кортен нашёл широкое применение в сфере строительства стальных конструкций, где обычная сталь не выдерживала условий агрессивной коррозии, вызванной комбинацией погодных условий, воды и промышленных выбросов.

Сегодня применение Кортеновской стали охватывает различные области: от производства транспортных контейнеров и мостов до использования в оборудовании для химической и нефтехимической промышленности. Этот материал также популярен в изготовлении опор для линий электропередач, столбов освещения, погрузочно-разгрузочной техники, шасси грузовых автомобилей, водных резервуаров, дымоходов и других конструкций в строительной отрасли.

Кортен может использоваться как в необработанном виде, так и быть окрашенным, в зависимости от требований к проекту. Необработанная Кортеновская сталь со временем образует защитный слой оксида, который предохраняет её от дальнейшей коррозии. В случае окрашивания, Кортеновские конструкции требуют реже подкрашивания благодаря защитному оксидному слою, который формируется даже на повреждённых участках покрытия, предотвращая прогрессирование разъедания под слоем краски, что является распространённой проблемой для окрашенной углеродистой стали.

Свойства и химический состав

Одна из главных особенностей кортеновской стали – это её способность с течением времени приобретать ржавый, коричнево-рыжий цвет, который защищен от дальнейшего коррозионного разрушения. Это делает каждый изделий из кортена по-настоящему уникальным и добавляет им визуальной интересности. При этом сталь отлично сочетается с большинством современных материалов и технологий, что даёт дизайнерам и производителям бесконечные возможности для экспериментов с формами и фактурами.

Помимо эстетических преимуществ, кортеновская сталь также выбирается за её практичность. Она прекрасно выдерживает различные климатические условия, что делает её подходящей для использования в самых разных регионах. Благодаря этому, объекты, выполненные из кортена, служат гораздо дольше, чем аналогичные конструкции из других материалов, и не требуют особого ухода.

Углеродистая сталь выделяется своей склонностью к активному окислению, в отличие от более инертных материалов, таких как нержавеющая сталь и медь. Это обусловлено тем, что при контакте необработанной углеродистой стали с влагой и кислородом воздуха, она подвергается быстрому процессу окисления, ведущему к формированию гидроксида железа, известного как коррозия. С течением времени это ведет к образованию ржавчины, серьезно ухудшающей характеристики стальных изделий. В отличие от этого, стали марки Кортен подвергаются окислению по уникальному механизму, который отличается от процесса коррозии углеродистых сталей. В случае повторного увлажнения и высыхания поверхности Кортеновской стали формируется плотный, прочный оксидный слой, который защищает металл от дальнейшего окисления в обычных атмосферных условиях, обеспечивая ей статус атмосферостойкой стали.

С момента получения патента на Cor-Ten было выполнено более 30 тысяч тестов с целью усовершенствования её химического состава для повышения устойчивости к погодным условиям. В зависимости от типа, сталь Cor-Ten может включать до десяти различных легирующих элементов, среди которых хром, никель, медь, и фосфор способствуют повышению её коррозионной стойкости. Кремний, титан, молибден, и ванадий усиливают плотность защитного оксидного слоя, работая в симбиозе с медью и хромом, что приводит к формированию множества специализированных марок стали под общим наименованием Cor-Ten.

Коррозионные процессы на стальной поверхности описываются через электрохимические реакции, которые начинаются с формирования микроскопических анодных и катодных участков при влажении стали. Эти реакции приводят к окислению железа и образованию гидроксида железа, последующему окислению в оксигидроксид железа, а затем — к формированию магнетита и гетита в зависимости от фазы влажности или сухости.

Атмосферные загрязнители, такие как SO2 и SO3, играют значительную роль в ускорении деформации, особенно при температурах ниже точки росы, когда образуются кислотные осадки, способствующие дальнейшему разрушению стали.

Сталь Кортен отличается от обычной углеродистой стали своим уникальным химическим составом. Основные легирующие элементы включают в себя хром (Cr), медь (Cu), никель (Ni) и фосфор (P), которые способствуют формированию защитного слоя оксидов на поверхности стали. Присутствие этих элементов в определенных пропорциях обеспечивает стали высокую устойчивость к атмосферной и особенно к сульфатной и хлоридной коррозии.

Сравнение с другими видами стали

По сравнению с традиционными видами стали, Кортен демонстрирует значительно лучшие показатели устойчивости к коррозии, что делает его идеальным выбором для условий, где важна долговечность и минимальное обслуживание. Это особенно важно для крупномасштабных конструкций и архитектурных объектов, где затраты на обслуживание и ремонт могут быть значительными.

Покрытие краской

Кортеновская сталь обладает уникальными антикоррозийными свойствами, благодаря чему её можно покрывать любыми видами краски, предназначенными для защиты от коррозии. Изучения выявили, что применение алкидных лакокрасочных составов на кортеновской стали увеличивает срок их службы в полтора до двух раз по сравнению с таким же покрытием на стали, содержащей углерод. На представленном изображении слева видно состояние окрашенных проб кортеновской и углеродистой сталей после пятнадцатилетнего экспериментального использования в морской атмосфере. В дальнейшей части изображения демонстрируются образцы, которые подвергались воздействию промышленных условий на протяжении нескольких лет. Под покрывающим слоем, состоящим из грунтовки на основе цинк-хромата и винилового покрытия, кортеновская сталь не проявляет следов разрушения.

Превосходная устойчивость лакокрасочного покрытия на кортеновской стали к коррозии обусловлена способностью поверхности при повреждении формировать защитный оксидный слой, препятствующий проникновению ржавчины под краской, в отличие от поведения аналогичных покрытий на стандартной углеродистой стали.

Методы работы с металлом

Обращение с изделиями из кортеновой стали требует особого внимания. Важно избегать царапин на её поверхности и удалять загрязнения, такие как сварочные брызги. Для хранения изделий из этой стали подходят условия в открытом пространстве, при условии, что между ними обеспечена хорошая вентиляция, что способствует быстрому высыханию влажных поверхностей. При длительном хранении на улице рекомендуется использовать защитное покрытие, а также размещать элементы так, чтобы между ними был промежуток для обеспечения равномерной циркуляции воздуха. Это обеспечивает одинаковое образование патины и предотвращает появление деформации.

Кортеновая сталь способна формировать на своей поверхности защитный уровень (патину), благодаря чему изделия могут оставаться без покраски. Для получения однородной патины, критически важной для визуального вида, необходимо выполнить глубокую очистку поверхности, включая травление, пескоструйную обработку или шлифование, предварительно удалив пятна от грязи, защитных масел, шлака и окалины. После пескоструйной обработки поверхность должна обладать равномерной шероховатостью.

Для ускорения образования патины на кортеновой стали можно использовать ускоренное окисление, состоящий из нескольких этапов, включая обезжиривание, удаление оксидной плёнки, применение активатора окисления и закрепляющей промывки. Этот метод позволяет достичь нужного оттенка стали всего за несколько дней.

Для сохранения цвета и замедления естественного патинирования можно использовать защитный лак, матовый или глянцевый, однако следует помнить, что такое покрытие потребует обновления каждые несколько лет.

Сварочные загрязнения могут тормозить процесс патинирования. Согласно стандарту ISO 8501-1, необходимая степень очистки поверхности для патинирования кортеновой стали является достаточно низкой по сравнению с требованиями к подготовке поверхности обычной углеродистой стали к покраске.

Как сваривать кортеновскую сталь

Все стандартные техники сварки могут быть применены для соединения стали Кортен, включая электродуговую сварку с использованием металлических или флюсовых электродов, сварку под слоем флюса, MIG/MAG сварку и точечную сварку.

Чтобы сварной соединение было устойчиво к влиянию окружающей среды, в его составе должны присутствовать те же металлические сплавы, что и в основном материале.

Сплавы для наплавки, которые чаще всего используются, включают в себя элементы никеля и меди. В случаях, когда сварка производится с формированием канавки или скругления и применяется электродуговая сварка под слоем флюса, возможно использование несплавленного наплавочного материала. Это обусловлено высокой степенью диффузии, обеспечивающей глубокое проникновение сварочного материала в основу. Для создания многослойных сварных соединений на поверхностях, подверженных атмосферным воздействиям, следует использовать наплавочный материал, устойчивый к атмосферным условиям.

Варианты применения

Использование кортена в ландшафтном дизайне и архитектуре позволяет создавать действительно оригинальные и захватывающие проекты. Например, в Москве и других крупных городах можно встретить примеры заборов, отделки фасадов зданий, арт-объектов и даже мебели из кортеновской стали. Каждый из этих примеров подчёркивает как эстетическую привлекательность материала, так и его функциональные преимущества.

Кортеновская сталь отличается высокими эксплуатационными характеристиками, в том числе превосходной устойчивостью к коррозии и эстетическим качествам, что делает ее оптимальным решением для применения в условиях, когда данные аспекты имеют первостепенное значение. Специфическая особенность этого материала – способность образовывать на своей поверхности защитную оксидную пленку, которая способствует самовосстановлению, тем самым увеличивая срок службы и придавая уникальный визуальный облик разнообразным архитектурным и конструкционным решениям. Этот материал предпочтителен для фасадных работ, создания дизайнерских деталей, строительства мостов, изготовления контейнеров и множества других объектов.

Кроме того, благодаря своему устойчивому характеру к абразивным повреждениям, возникающим в процессе эксплуатации, такой как загрузка и выгрузка, сталь Кортен демонстрирует высокую долговечность. Важно отметить, что сильный абразивный износ может уменьшить продолжительность ее использования.

При эксплуатации в условиях высоких температур, Кортеновская сталь сохраняет свои уникальные механические свойства, превышая возможности обычных строительных сталей благодаря лучшей сопротивляемости к образованию окалины. Подходит для применения в менее строгих эксплуатационных условиях, включая давленые сосуды, без необходимости использования закалочных сталей Cr-Mo. Рекомендуемая рабочая температура для Cor-Ten A не должна превышать +540°C, поскольку при более высоких значениях ухудшаются ее прочностные и вязкие характеристики. Для стали Cor-Ten B использование в критически важных конструкциях при температурах свыше +425°C не рекомендуется.

Выдающаяся способность краски к адгезии с поверхностью Кортеновой стали позволяет снизить затраты на ее обслуживание благодаря уменьшенной частоте необходимости перекрашивания. Защитный оксидный пласт, формируемый сталью, обеспечивает защиту от разрушения даже в случае повреждения лакокрасочного покрытия, значительно продлевая интервалы между окрасочными работами в сравнении с обычной углеродистой сталью. Исследования подтверждают, что расходы на обслуживание и ремонт окрашенных контейнеров из углеродистой стали в четыре раза выше, чем у контейнеров, изготовленных из Кортеновой стали.