Файл: Свидунович_Материаловедение_для ХТОМ.pdf

коррозии наиболее подвержены металлы и сплавы, что объясняется их большой химической активностью и высокой электропроводимостью.

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Коррозионно-стойкими называют металлы и сплавы, в которых процесс коррозии развивается с малой скоростью. Отмечают два вида коррозии: электрохимическую и химическую.

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ НЕПАССИВИРУЮЩИЕСЯ МЕТАЛЛЫ

В тех случаях, когда обратимый электродный потенциал в заданных условиях коррозии близок к обратимому потенциалу катодной реакции Vaобр, коррозионный ток мал и металл обладает высокой коррозионной стойкостью

(см. формулу (15.6)).

По этой причине электроположительные металлы Au, Pt, Ag, Си, а также Sn и РЬ, потенциал которых имеет небольшие электроотрицательные значения, обладают коррозионной стойкостью во многих средах.

Так, Au, Pt, Ag стойки к коррозии во всех средах, кроме некоторых концентрированных окисляющих кислот, а Си, Sn, Pb — во влажной атмосфере, морской воде и многих органических кислотах.

Скорости атмосферной коррозии металлов приведены ниже:

Медные сплавы, в состав которых входят электроотрицательные металлы, имеют высокую коррозионную стойкость в условиях равномерной атмосферной и морской коррозии.

Латуни коррозионно-стойки при равномерной коррозии, но склонны к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере (в особенности, при наличии сернистых газов), поэтому после их обработки давлением необходим отжиг для устранения напряжений. При большом содержании цинка латуни подвержены еще одному виду коррозионного разрушения — избирательному поверхностному электрохимическому растворению электроотрицательного цинка.

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ ПАССИВИРУЮЩИЕСЯ МЕТАЛЛЫ

Несмотря на большой отрицательный обратимый электродный потенциал металла вследствие большой анодной поляризации Ра в коррозионном элементе устанавливается небольшой коррозионный ток, и металл разрушается с очень малой скоростью (см. формулу (15.6)). Пассивное состояние связывают с образованием на поверхности защитных пленок.

Способностью переходить в пассивное состояние обладают многие промышленные сплавы. Для большинства металлов пассивность наступает в окислительных (кислородсодержащих) средах и даже самопроизвольно на

воздухе.

Наибольшей склонностью к самопассивированию на воздухе обладают титан, алюминий и хром. Пассивное состояние в них сохраняются во многих средах, однако оно исчезает в средах, содержащих мало кислорода и много ионов хлора (влажная, плохо аэрируемая почва, морская вода, неокисляющие кислоты).

Титан в пассивированном состоянии по своей коррозионной стойкости уступает только золоту и платине. В отличие от остальных металлов он сохраняет пассивность во влажной атмосфере даже при нагреве, в неокислительных, окислительных и органических кислотах, в морской воде, а также в горячих щелочах. Титановые сплавы (см. § 14.1) сохраняют высокую коррозионную стойкость титана.

Алюминий во влажной атмосфере, окислительных и органических кислотах обладает высокой коррозионной стойкостью, что связано с его переходом в пассивное состояние. Однако в щелочах он коррозирует с большой скоростью.

Все примеси и легирующие элементы алюминиевых сплавов уменьшают поляризуемость и, тем самым, ухудшают коррозионную стойкость. Наиболее опасны, так как устраняют пассивность, электроположительные металлы. Присутствие железа и меди в десятых долях процента заметно ухудшает коррозионную стойкость алюминия. Сплавы (см. § 13.2), содержащие до 5 % Си, — дуралюмины, высокопрочный сплав с цинком В95, сложные силумины АК8М, жаропрочные сплавы АК4 и другие по коррозионной стойкости значительно уступают чистому алюминию.

Электроотрицательные элементы Si, Mn, Mg не устраняют пассивность алюминия, поэтому простые силумины, не содержащие медь, сохраняют коррозионную стойкость во влажной атмосфере. Марганец оказывает даже положительное влияние, так как, образуя фазу (MnFe)Al6, удаляет железо из твердого раствора и, тем самым, устраняет его вредное действие. Коррозионная стойкость сплава АМц по этой причине даже выше коррозионной стойкости технически чистого алюминия. Магний образует с алюминием анодную фазу Mg2Al3, которая на поверхности сплава быстро растворяется, и поверхность становится однофазной. Это объясняет высокую коррозионную стойкость сплавов АМгб, АМг10, которая лишь немного уступает стойкости чистого алюминия.

Алюминий и его сплавы чувствительны к контактной коррозии. При контакте с более электроположительными металлами (Fe, Ni, Си) алюминий является анодом и разрушается. Алюминиевые сплавы, легированные медью, подвержены МКК. Для защиты от такой коррозии сплавы дополнительно легируют магнием, а листовые полуфабрикаты плакируют чистым алюминием.

КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ СТАЛИ

Коррозионно-стойкие стали являются высоколегированными и содержат не менее 13 % Сr, что обеспечивает образование на поверхности металла

пассивирующей защитной пленки.

Их разделяют на классы в зависимости от структуры, которая образуется после высокотемпературного нагрева и охлаждения на воздухе: мартенситный, мартенситно-ферритный (при содержании феррита не менее 10 %), ферритный, аустенитно-ферритный (при содержании феррита не менее 10 %), аустенитный и аустенитно-мартенсит-ный (ГОСТ 5632-72). Суммарное влияние феррито- и аустенитообразую-щих элементов характеризуют эквиваленты хрома Сrэкв и никеля Niэкв:

Сrэкв = Сr + 2Si + 1,5Мо + 5V + 5,5Аl + l,75Nb + l,5Ti + 0,75W;

Niэкв = Ni + 0,5Mn + 30C + 30N + 0,3Cu,

где символы легирующих элементов обозначают их массовые доли в данной марке стали, а числа — коэффициенты активности.

Внастоящее время разработано несколько групп высокоазотистых коррозионно-стойких сталей с низким содержанием углерода.

Повышение прочности и снижение стоимости коррозионно-стойких сталей наиболее эффективно достигается путем использования азота в качестве легирующего элемента.

Азот — доступный практически в неограниченном количестве из воздуха легирующий элемент — отличается повышенной аустенитообразующей

иупрочняющей способностью. Он эффективно заменяет никель и, являясь, как и углерод, элементом внедрения, интенсивно упрочняет сталь. Использование азота в качестве легирующего элемента сдерживалось трудностью введения его в сталь ввиду малой (0,045 % (мае.)) растворимости в жидком железе. Кроме того, азот улетучивается из стали при термической обработке и сварке.

Внастоящее время разработаны промышленные способы введения азота в жидкую сталь, что привело к созданию нового перспективного класса высокоазотистых сталей, отличающихся высокими прочностью и коррозионной стойкостью. Для введения азота необходимо большое давление и наличие в стали нитридообразующих элементов (Ti, Nb, V, Сг, Мn). Сталь выплавляют в индукционной печи и раскисляют. После этого ковш с готовой сталью помещают в специальную установку, в которой создают давление газообразного азота до 10 МПа. На поверхности стали молекулы азота диссоциируют, атомарный азот растворяется и диффундирует в жидкую сталь. Процесс кристаллизации идет при высоком давлении, масса получаемых слитков — до 2 т.

Растворимость азота в жидкой стали значительно увеличивает хром — необходимый элемент коррозионно-стойких сталей. Кроме того, хром

связывает азот в прочные нитриды CrN и Cr2N, имеющие высокую (до 1200 ° С) термическую стабильность. Оба эти фактора обусловили возможность сверхравновесных (1,0 - 1,3%) концентраций азота именно в коррозионностойких .сталях. В обычных конструкционных коррозионно-стойких сталях содержание азота составляет 0,15 - 0,25 %.

Аустенитные стали

Это наиболее важный класс коррозионно-стойких сталей по масштабам использования и универсальности применения. По химическому составу эти стали разделяют на хромоникелевые и хромомарганцевые стали (табл. 15.1).

Преимуществами аустенитных сталей кроме коррозионной стойкости являются высокая пластичность и вязкость. Изделия, включая тонкую ленту и фольгу, легко получают всеми способами пластического деформирования; стали имеют хороший комплекс литейных свойств и свариваемость. Исключением является обработка резанием — стали обрабатываются хуже углеродистых и низколегированных из-за высокой пластичности и упрочнения при резании. Сталь 12Х18Н10Е с добавкой 0,18 - 0,36 % Se является автоматной.

К недостаткам аустенитных сталей относят низкие значения предела текучести, а также подверженность опасным видам местной коррозии — коррозионному растрескиванию и МКК.

Структура аустенита обеспечивается при определенном соотношении между феррито- и аустенитообразующими элементами. Так, у хромоникелевых сталей достаточно иметь 9 - 11 % Ni при 17 - 19% Сг; у хромомарганцевых сталей из-за пониженной аустенитообразующей активности марганца необходимо дополнительное легирование никелем (до 4 - 5 %) и азотом (до 0,5 %) или одновременно обоими элементами при увеличении содержания хрома до 20 %.

Аустенитно-ферритные стали

Эти стали (078Х22Н6Т, 08Х21Н6М5Т, 08Х18Г8Н2Т) имеют оптимальный комплекс свойств при практически равном содержании аустенита и феррита, которое обеспечивается закалкой с 1000.. .1100° С. Эти стали дешевле аустенитных, так как содержат меньше никеля, прочнее их в 1,5-2

раза и имеют почти такое же сопротивление коррозии, как сталь 12Х18Н10Т. Во избежание МКК эти стали стабилизируют титаном. Изделия из аустенитно-ферритных сталей рекомендуется эксплуатировать при температурах не выше 350 ° С во избежание охрупчивания из-за структурных изменений.

Аустенитяо-мартенситные стали

По сравнению с аустенитными эти стали (07Х16Н6; 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5МЗ) имеют высокую прочность, которая достигается сложной термической обработкой, включающей закалку для получения аустенита, обработку холодом при — 70 ° С для превращения аустенита в мартенсит и старения мартенсита при 350 — 500° С. Обработка холодом может быть заменена пластическим деформированием, во время которого значительная часть аустенита превращается в мартенсит. Химический состав сталей отличается малым содержанием углерода (< 0,1 %), пониженным количеством никеля (5 - 8 %) и добавками Al, Ti, Сu, Мо для упрочнения мартенсита при старении. При 70 - 90 % (об.) мартенсита стали имеют σ0,2 = 700 ... 1000 МПа, σB= 1100 . .. 1400 МПа. При таком уровне прочности эти стали особенно склонны к коррозионному растрескиванию. Для защиты от этого вида коррозии старение рекомендуется прервать на стадии образования зон Г - П, не достигая максимума прочности. Особенностью этих сталей является стабилизация аустенита закаленной стали в течение нескольких часов при -20... + 100 ° С. После стабилизации при обработке холодом образуется меньше мартенсита. Чем больше непревращенного аустенита содержится в аустенитно-мартенситных сталях, тем выше их ударная вязкость.

Ферритные стали

Эти стали (08X13,12X17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15X28) не имеют фазового превращения γ↔α и не упрочняются термической обработкой. Они содержат 0,08 - 0,15 % С и 13 - 30 % Сr (табл. 15.2). Чем больше хрома в стали, тем выше ее сопротивление коррозии. Так, стали, содержащие 25 - 28 % Сr, коррозионно-стойки в кипящих растворах 40 %-й и более HNO3. Стали с концентрацией хрома 25 - 28 % в горячих растворах щелочей имеют лучшую стойкость, чем стали типа 12Х18Н10Т. После отжига они характеризуются

умеренной прочностью и пластичностью (σB = 400 .. .500 МПа, σ0,2 = 250 ..

.300 МПа, δ = 12... 20%), уступая аустенитным сталям по комплексу механических свойств и превосходя их только по сопротивлению коррозионному растрескиванию.

По техническим свойствам ферритные стали хуже аустенитных. Главный их недостаток — резкое охрупчивание после нагрева выше 1000 - 1100° С. Это затрудняет сварку ферритных сталей, так как для частичного уменьшения хрупкости сварные соединения должны подвергаться отжигу при 750 - 800 ° С. По завершении отжига требуется ускоренное охлаждение, чтобы не допустить охрупчивание.