Коррозионная стойкость алюминиевых сплавов навесных вентилируемых фасадов


рис. 1 микрофотография межкристаллитной коррозии алюминиевого сплава ад-31
Рис. 1 Микрофотография межкристаллитной коррозии алюминиевого сплава АД-31
На сегодняшний день алюминий и его сплавы применяются для возведения навесных вентилируемых фасадов (НВФ) зданий. Учитывая активное развитие нового направления в строительстве, был проведен детальный анализ их коррозионной стойкости на основе исследований ОАО «ВИЛС» в природных условиях и испытаний в лаборатории образцов и узлов систем НВФ MAVent, разработанных ООО «АМА Групп». Для исследования использовались прессованные профили из сплава 6063 в естественно состаренном состоянии (Т по отечественным стандартам; Т3, Т4 – по зарубежным) и искусственно состаренном состоянии (Т1 по отечественным стандартам, Т6 – по зарубежным). Химический состав приведен в таблице 1, механические свойства – в таблице 2

Испытания на расслаивающую коррозию
Расслаивающая коррозия (РСК) связана с развитием коррозионного процесса в направлении прокатки или прессования, в основном по границам зерен кристаллитов, имеющих продолговатую форму.
По опыту эксплуатации, длительным (до 50 лет) испытаниям в различных атмосферных условиях и результатам лабораторных испытаний по современным методикам чувствительность к РСК у сплава типа 6063 в состояниях Т4 и Т6 отсутствует.
Тем не менее образцы профилей из сплава 6063 в состояниях Т4 и Т6, использующиеся в НВФ MAVent, были испытаны на РСК по двум методикам, используемым во всем мире. Первая была разработана в ОАО «ВИЛС» (ГОСТ 9.904.82, ISO11881). Испытания проводятся в растворе (г/л) HCl 13,5 и K2Cr2O7 20 при полном погружении в течение 7 суток (таблица 3, методика 1). Вторая была разработана АЛКОА, США (ASTMG34, ISO11881) c использованием раствора, предложенного ВИАМ для испытаний на коррозионное растрескивание. Испытания проводятся в растворе г/л NaCl 225, KNO3 50, HNO3 5,5, 2 суток (таблица 3, методика 2). В соответствии с полученными результатами исследований (табл. 4), проведенных по двум основным методикам, было установлено, что профили из сплава 6063 нечувствительны к РСК. Увеличение времени испытаний в два раза не изменило результатов.
В документе, выпущенном ИЦ «ЭкспертКорр-МИСиС», говорится о том, что сплавы типа АД31 чувствительны к РСК. Однако результаты отсутствуют. Приведена микрофотография (рис. 1), надпись под которой свидетельствует, что она демонстрирует межкристаллитную коррозию.
Из подрисуночной надписи следует, что она показывает и межкристаллитную, и расслаивающую коррозию, но на ней нет ни той, ни другой. Диаметр питтинга, который виден на микрофотографии при минимальном увеличении, равен не более 0,2 мм, а при максимальном – 0,1мм. Таким образом, речь идет о питтинговой коррозии, причем достаточно слабо выраженной.

Прогнозы показывают, что НФС MAVent, выполненные из сплава типа 6063Т6, с кляммерами и крепежом из стали 12Х18Н10Т, обеспечат длительность эксплуатации НФС до 50–100 лет

Испытания на коррозионное растрескивание под напряжением
В качестве образцов были взяты два прессованных профиля в состоянии Т6. Круглые образцы испытывались при заданной растягивающей нагрузке в поперечном направлении на установке типа Сигнал, а плоские ДКО (двойной консольный образец) при предварительно выращенной в надрезе усталостной трещины длиной 10 мм. Эти образцы испытывались при заданной деформации в поперечно-долевом направлении (т. е. трещина развивалась в долевом направлении, а напряжения действовали в поперечном). Оба типа образцов испытывались при переменном погружении в 3,5%-ный раствор NaCl в течение 45 суток.
В соответствии с полученными результатами был сделан вывод, что сплав 6063Т6 нечувствителен к коррозионному растрескиванию (КР).

Таблица 1. Химический состав

Сплав Испытания

Поставщик

Материала

Состав в % по массе
6063 Si Fe Mg Cu Mn Cr Zn Ti Другие
Лабораторные «АМА Групп» 0,36 0,18 0,52 0,02 0,02
Атмосферные ВИЛС 0,43 0,29 0,64 0,02 0,03 0,04
По DIN 1725 0,2-0,6 ≤0,35 0,45-0,9 ≤0,1 ≤0,1 ≤0,1 ≤0,15 ≤0,1 ≤0,05

Испытания в атмосферных условиях
Испытания проводились на 4 атмосферных станциях и на палубе научно-исследовательского судна (НИС), курсирующего в течение 4 месяцев по Индийскому океану. На атмосферных станциях испытания проводились в течение 45 лет. Сплав 6063Т6 подвергался только питтинговой коррозии. Максимальная глубина ее была пропорциональна агрессивности станций и возрастала в порядке (мм): 3 – 0,14; Б – 0,16; В – 0,26; С – 0,32 (рис. 2). Таким образом, в среднеагрессивной атмосфере глубина питтинговой коррозии возрастала не более чем в два раза по сравнению со слабоагрессивной.
Прогнозирование увеличения глубины питтинговой коррозии проводится по формуле:
h = Kτ1/n, где h – максимальная глубина питтинга, К – глубина питтинга за 1-й год, n – константа (в воде и атмосфере n ≈ 3). Максимальное значение глубины для состояния Т6 на 25% выше, чем для состояния Т4. Но абсолютное значение (0,26 мм) достаточно мало и, как показали эксперименты, не влияет на механические свойства.
Из таблицы 4 видно, что в интервале толщин полуфабриката 2–4 мм коррозия как в состоянии Т4, так и в состоянии Т6 практически не изменяет механических свойств. Полученные цифровые значения находятся в пределах разброса значений, свойственного механическим испытаниям.
Исследования на гальваническую (контактную) коррозию сплава 6063Т6 были проведены на НИС в особо агрессивных условиях (таблица 5). Увеличение глубины питтинговой коррозии на сплаве 6063 Т6 в контакте с аустенитной сталью достигло 40%. При этом глубина питтингов на расстоянии 7 мм от места контакта составляла не более 0,4 мм и не оказывала существенного отрицательного влияния на соединения.
Следует отметить, что в испытаниях в натурных и лабораторных условиях в течение 45 лет не наблюдалось ни одного случая расслаивающей коррозии или коррозионного растрескивания сплава типа 6063. Эти виды коррозии отсутствовали даже в тех случаях, когда образцы закреплялись на корпусе НИС в напряженном и ненапряженном состоянии.

Таблица 2. Механические свойства профилей

Сплав

Состояние

Временное сопротивление σв, МПа (кгс/мм2)

Предел текучести а0,2,

Относительное удлинение,δ

Минимальное Типичное

Минимальное Типичное

Минимальное

Типичное

6063
По DIN 1725

Т4

Т6

131,5(13,4) 207 (21,1)

172,7 (17,6) 241,3 (24,6)

68,7 (7)

172,7 (17,6)

89,3 (9.1) 213,9 (21,8)

≥14 ≥8

22
8

6063
Фактические
испытания

Т4

Т6

198 (20,2) 273,6 (27,9)

132,4 (13,5) 242,3 (24,7)

22,8 13,7

Питтинговая коррозия стали и алюминиевых сплавов
Десятилетиями ВИЛС отвечал за выбор алюминиевых сплавов и их коррозионную стойкость и был одним из основных участников при выпуске документов организациями Госcтроя в этом направлении, однако в последние годы эти функции присвоили себе организации, специализирующиеся на сталях. Появился тезис, что алюминиевые сплавы типа 6063Т6 в отличие от нержавеющих сталей нельзя применять не только из-за их чувствительности к РСК и КР, но и из-за их чувствительности к питтинговой коррозии. Для того чтобы разобраться в данном вопросе, сопоставим коррозионную стойкость сталей и алюминиевых сплавов.
Обычные углеродистые стали корродируют в атмосферных условиях при расположении электродного потенциала коррозии в активной области. При этом наблюдается не только общее растворение, но и слоистое развитие коррозии по типу РСК для высоколегированных алюминиевых сплавов. Поэтому сталь без защиты начинает разрушаться от коррозии сразу после монтажа, и достаточно интенсивно.
Лакокрасочные покрытия на малоуглеродной стали начинают разрушаться уже после 4–6 лет, а с подслоем цинка – через 10–12 лет. Оцинковка толщиной 200 мкм позволяет обеспечивать на стационарных строительных объектах срок службы до 20 лет. Оцинковка толщиной 20–40 мкм в промышленной атмосфере выходит из строя за 1–1,5 года.
В агрессивной промышленной атмосфере практически исключить зарождение и развитие коррозионного питтинга на аустенитной стали можно при легировании их молибденом. При содержании молибдена 2,6% по массе площадь поражения питтинговой коррозией составляет всего лишь около 0,01%.

Таблица 3. Результаты испытаний на расслаивающую коррозию


Сплав

Сос-тояние

Методика 1

Стан-дарты

Характер корроз.

Оценка, баллы

Заклю-чение

6063

Т4

ГОСТ
9.904-82, ISO 11881

Питтин-
говая

3

РСК отсут-ствует

6063

Т6

__»__

__»__

3

__»__

Методика 2

Сплав

Стан-дарты

Характер корроз.

Оценка

Заклю-чение

6063

ASTM G34,
ISO 11881

Питтин-
говая

Р

РСК отсут-ствует

6063

__»__

__»__

Р

__»__

У аустенитной стали без молибдена сопротивление питтинговой коррозии уменьшается на 2 порядка. Ферритная сталь по сравнению с аустенитной без молибдена при оценке питтинговой коррозии по площади поражения в 10 раз менее стойка, а при оценке по потерям массы – в 1,5 раза.
В промышленной атмосфере глубина питтингов на аустенитной стали меньше, чем на сплаве типа 6063, в морской атмосфере – такая же или больше. Таким образом, ферритные стали типа 08Х18Т1 и 08Х17Т не следует применять в конструкциях НВФ. Они значительно более чувствительны к питтинговой коррозии, чем аустенитная. На них значительно быстрее образуется обычная ржавчина. Данные типы стали не рекомендуются для сварки и для конструкций, работающих при температурах ниже –20°С в соответствии с ГОСТ 5632. Как следует из предварительного анализа, в производственных условиях их часто не разделяют, и это, естественно, может наносить существенный вред конструкции в целом при выполнении сварных узлов.

Таблица 4. Изменение механических свойств после испытаний в промышленной атмосфере («ВИЛС») профилей сплава 6063.


Длитель-
Ность
Испытаний,
Годы

Состояние

Марки-ровка

Исходные после 10 лет хранения в помещении

После 45 лет испытаний

σВ,
Кг/мм2

σ02,
Кг/мм2

δ,%

σВ,
Кг/мм2

σ02,
Кг/мм2

δ,%

45

Естественное старение Т4

ЖТ
2 мм

22,3

14,6

24,5

26,1

17,9

23,2

ЖТ
4 мм

22,0

14,1

24,9

25,8

18,4

23,8

45

Искусственное старение Т6

ЖТ1
2 мм

27,7

24,7

14,7

26,7

24,2

14,4

ЖТ1
4 мм

26,7

23,4

14,3

26,2

23,9

12,6

40

Естественное старение Т4

36
2,5 мм

21,5

13,8

20,8

23,7

15,1

19,1

40

Искусственное старение Т6

37
2,5 мм

23,7

19,7

16,4

23,4

18,5

15,0

Абсолютные потери

Относительные потери

Длитель-
Ность
Испытаний,
Годы

D σВ

D σ02

δ,%

σВ

σ02

δ,%

45

__

__

1,3

__

__

5

__

__

1,1

__

__

4

45

1,0

0,5

0,3

3,5

2

2

0,5

__

1,7

2

__

12

40

__

__

1,7

__

__

7

40

0

1,2

1,4

0

6

7

Межкристаллитная коррозия, влияние напряжений
Как показали многочисленные лабораторные и длительные атмосферные испытания, в различных условиях у алюминиевого сплава типа 6063 отсутствует чувствительность к межкристаллитной коррозии. Имеют место две формы питтинга: транскристаллитная – преимущественно у сплавов в естественно состаренном состоянии и межкристаллитная – в искусственно состаренном. Обе формы чаще развиваются в атмосферных условиях по тоннельному механизму, а не в виде формы, близкой к полусфере. По количественным характеристикам, глубине и числу питтингов они не различаются. Потери механических свойств у них невелики и одинаковы, а потери массы весьма незначительны.
Межкристаллитная коррозия становится опасной в тех случаях, когда сплав одновременно чувствителен и к коррозии под напряжением, и прежде всего к коррозионному растрескиванию. Нержавеющая аустенитная сталь 12Х18Н10Т, рекомендуемая для НВФ, в исходном состоянии нечувствительна к КР. В этой связи для нее, как и для сплавов типа 6063, из которого изготавливаются элементы систем MAVent, межкристаллитная коррозия не представляет опасности. После сварки у нержавеющей стали появляется чувствительность к КР. Это всегда должно учитываться в конструкциях, как, например, учитывается в установках по первичной переработке нефти. Поэтому нецелесообразно изготавливать кронштейны для НВФ из стали 12Х18Н10Т. Проще, дешевле и безопаснее изготовить их из сплава 6063Т6.

Длительная эксплуатация строительных конструкций из алюминиевых сплавов
На территории ВИЛСа обшивка ограждений вертикальных закалочных печей была выполнена 55 лет назад из тонких листов (~ 1,5 мм) сплава АМг2. Конструкция находится в отличном состоянии: глубина питтинговой коррозии затормозилась на уровне 0,25–0,30 мм.
Здание КБ было изготовлено 50 лет назад. Несущий каркас здания был изготовлен из профилей, близких по составу к 6063, но более легированных по основным компонентам: магнию и кремнию. Обшивка изготовлена из тонких листов (~ 1,2 мм) сплава АМц. Алюминиевые конструкции находятся в отличном состоянии. Глубина питтинговой коррозии затормозилась на уровне 0,2–0,25 мм.

Таблица 5. Гальваническая (контактная) коррозия сплава 6063Т6


Контактирующий материал

Максимальная глубина вне контакта, мм hА

Максимальная
Глубина в контакте, мм hК

HА/HК

12Х18Н10Т
титан
АД0М
6063Т6

0,29

0,4
0,32
0,32

1,4
1,1
1,1

Выводы
1. Многолетние испытания (45 лет) в различных климатических зонах (тропиках, научно-исследовательском судне и лабораториях) показали, что прессованные профили из сплава 6063Т6, применяемые в системах MAVent, нечувствительны к расслаивающей коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением, что обеспечивает надежную, длительную (более 50 лет) эксплуатацию НФС без защитных покрытий (кроме покрытий на внешней облицовке).
2. Питтинговая коррозия, которая свойственна пассивирующимся сплавам, в том числе и аустенитной стали типа 12Х18Н10Т, у алюминиевого сплава 6063Т6 после 10 лет выдержки в наиболее агрессивной атмосфере достигает в отдельных редких точках до 0,3 мм. При дальнейшем увеличении выдержки до 45 и более лет развитие питтинговой коррозии в глубину практически полностью прекращается за счет электрохимического торможения (репассивации). Образовавшиеся коррозионные питтинги не влияют на механические свойства и работоспособность изделий.
3. Гальваническая (контактная) коррозия в сплавах типа 6063Т6 и в контакте с аустенитной сталью 12Х18Н10Т увеличивается несущественно: глубина отдельных питтингов возрастает на 30–40% в зоне до 7 мм от линии контакта. Это не сказывается на работоспособности изделий.
4. Прогнозы показывают, что НФС MAVent, выполненные из сплава типа 6063Т6, с кляммерами и крепежом из стали 12Х18Н10Т, обеспечат длительность эксплуатации НФС до 50–100 лет. НФС из стали 12Х18Н10Т не обеспечат долговечность более 25 лет из-за чувствительности сварных соединений этой стали к коррозионному растрескиванию.
5. Ферритные стали типа 08Х18Т1 непригодны для НФС из-за низкой коррозионной стойкости и недопустимости для изделий, которые могут эксплуатироваться при температуре ниже –20°С.
Из углеродистых сталей НФС недопустимо делать при любых системах защиты, поскольку необходимость в ремонте может возникнуть значительно раньше установленных сроков эксплуатации.



Другие новости индустрии:


АЛЛЮКС на пути регионального развития
Duvils Group Нам 10 лет
На штурм зимнего!
Двойной фасад: быть или не быть