Коррозионно-устойчивые сплавы

Классификация

Жаростойкими называют сплавы, обладающие способностью сопротивляться химическому воздействию окислительных газов при высоких температурах. Если детали машин и аппаратов, используемые при высоких температурах, подвергаются механическому воздействию, то металл должен обладать и жаропрочными свойствами.

При жаростойком легировании на поверхности сплава образуется защитная оксидная пленка легирующего компонента, затрудняющая диффузию реагентов и окисление основного металла. Оксидная пленка легирующего элемента должна быть сплошной, т. е. ее объем должен быть больше объема металла, из которого она образована. Чтобы препятствовать встречной диффузии ионов металла, электронов и ионов кислорода, оксидная пленка должна иметь высокое электрическое сопротивление. Размер ионов легирующего компонента меньше, чем размер ионов основного металла, что облегчает диффузию легирующего компонента на поверхность сплава, где образуется оксидная пленка. При этом кристаллическая решетка легирующего компонента с меньшими параметрами препятствует диффузии основного металла. Оксид легирующего компонента должен иметь высокие температуры плавления и возгонки и не образовывать низкоплавких эвтектик в смеси с другими оксидами. С основным металлом легирующий компонент образует твердый раствор, необходимый для равномерного распределения его в металле и создания оксидной пленки на всей поверхности сплава. В зависимости от целей применения и условий эксплуатации коррозионно-устойчивые сплавы классифицируются по трем признакам:

- по составу: сплавы на железной основе, медные, никелевые, цинковые, алюминиевые, магниевые, сплавы благородных металлов и др.;

- по характеру коррозионной устойчивости: нержавеющие стали, т. е. устойчивые в атмосферных условиях, в водных растворах солей, кислот и оснований; кислотостойкие сплавы - устойчивые в растворах кислот; жаростойкие сплавы - устойчивые в газовой атмосфере при высокой температуре; сплавы специальных видов коррозионной устойчивости (эрозионно-устойчивые, устойчивые против коррозионного растрескивания и др.);

- по структуре: твердые растворы, бинарные сплавы с анодным фоном, бинарные сплавы с катодным фоном, более сложные гетерогенные сплавы.

Низколегированные стали содержат, в основном, небольшие количества меди, хрома, кремния, никеля, алюминия и др. По коррозионной стойкости они превосходят обычные железоуглеродистые стали только в слабоагрессивных средах, поэтому применяются ограниченно. Легирование низкоуглеродистой стали медью (0,3-0,8%) повышает ее коррозионную стойкость в атмосферных условиях, что связано с образованием на поверхности стали пленки с высокими защитными свойствами. Легирование стали небольшими количествами хрома (до 2%) повышает прочность стали, не изменяя ее коррозионной стойкости. Добавка никеля в небольших количествах (до 1%) повышает коррозионную стойкость стали в атмосферных условиях. Стали, содержащие большое количество хрома, никеля и кремния, обладают высокой коррозионной стойкостью и называются высоколегированными. Наибольшее распространение получили хромистые и хромоникелевые аустенитные нержавеющие стали.

Высокохромистые стали. Железо и хром образуют непрерывный ряд твердых растворов на основе кристаллической решетки феррита и аустенита, хром также образует карбиды с углеродом. Химическая устойчивость сплавов железо-хром основана на их пассивируемости. Хром, находясь в твердом растворе с железом, в значительной степени повышает способность железа к пассивированию. Чем больше в сплаве хрома, тем легче наступает пассивность и тем труднее сталь переходит в активное состояние. Коррозионная устойчивость нержавеющих сталей определяется также условиями среды. Одни среды способствуют возникновению пассивного состояния, другие, наоборот, разрушают пассивную пленку. Например, окислители, анодная поляризация, понижение температуры среды способствуют образованию пассивной пленки. Наступление пассивного состояния хромистых сталей до некоторой степени подчиняется правилу Таммана о границах устойчивости твердых растворов. Первая граница устойчивости появляется при содержании хрома в стали свыше 12%. При этом электродный потенциал резко облагораживается, сталь переходит в пассивное состояние и скорость коррозии резко падает. Сталь устойчива в разбавленной азотной кислоте и в нейтральных растворах. При дальнейшем повышении содержания хрома способность стали пассивироваться усиливается, и при содержании хрома 17% в стали появляется новая граница устойчивости. Такая сталь устойчива в горячей разбавленной азотной кислоте и в атмосфере, насыщенной водяным паром. При содержании хрома 35,8% появляется третья граница устойчивости. Сталь коррозионно-стойка к таким активным средам, как 30% раствор хлорного железа.

Коррозионные свойства хромистых сталей сильно зависят от содержания в них углерода. Чем больше в сплаве углерода, тем больше хрома участвует в образовании карбидов хрома и тем больше его необходимо ввести в сплав, чтобы получить устойчивую ферритную структуру.

Хромистые стали обладают высокой жаростойкостью, т. е. способностью против окисления при высоких температурах. Жаростойкость хромистых сталей целиком определяется содержанием в них хрома.

Коррозионная стойкость хромистых сталей зависит также от режимов их термической обработки. После закалки хром и углерод находятся в твердом состоянии, и сплав обладает высокой коррозионной стойкостью. При отпуске после закалки выпадают карбиды хрома, в результате чего коррозионная стойкость сплава снижается. Поэтому для обеспечения высокой коррозионной стойкости хромистой стали с увеличением содержания углерода необходимо вводить в нее дополнительное количество хрома.

В качестве коррозионностойких конструкционных сталей получили распространение три группы сплавов:

— Стали с содержанием 12-14% хрома и различных количеств углерода с полным или частичным фазовым превращением. В зависимости от содержания углерода различают следующие марки сталей: 08X13, 12X13, 20X13. Максимальная коррозионная стойкость этих сталей наблюдается после закалки с отпуском, что соответствует максимальному содержанию хрома в твердом растворе. Эти стали устойчивы в пресной воде, а также в атмосферных условиях. В морской воде и морской атмосфере сильно корродируют. Устойчивы в холодной разбавленной азотной кислоте. В соляной и серной кислотах сильно корродируют.

— Стали с содержанием 17-18% хрома, полуферритные стали с частичным фазовым превращением: 08X17, 12X17, 12X18. Стали этого класса более коррозионностойки как в условиях воздействия окислительных сред, так и в высокотемпературных газовых средах. У этих сталей ухудшаются механические свойства, особенно ударная вязкость, затрудняется сварка.

— Стали с содержанием 25-30% хрома не имеют фазовых превращений. К ним относятся стали типа 15X25, 15X28. Эти стали не подвергаются закалке, обладают высокой пластичностью. Однако при сварке снижается пластичность сварных швов и появляется склонность к межкристаллитной коррозии в зоне термического влияния. Добавка к этим сталям небольших количеств благородных металлов, например палладия или платины, способствует переходу высокохромистых сталей в пассивное состояние и в неокисляющих кислотах (соляной и разбавленной серной кислотах).

Хромоникелевые стали. Никель образует с железом непрерывный ряд твердых растворов и способствует образованию аустенитных сталей. Наибольшее применение в промышленности находят хромоникелевые стали типа 12Х18Н10, содержащие 17-20% хрома и 8-16% никеля. Эти стали обладают высокой коррозионной стойкостью, хорошими механическими и технологическими свойствами, хорошо поддаются сварке. Однако в хромоникелевых сталях может возникать склонность к межкристаллитной коррозии, особенно после длительного или повторного нагрева закаленной стали, вследствие выпадения по границам зерен карбидов. Опасными зонами при сварке аустенитных сталей являются зоны по линиям сплавления.

Для снижения склонности стали к межкристаллитной коррозии рекомендуется: легирование карбидообразующими элементами - титаном, ниобием, танталом, которые обладают большим сродством к углероду, чем хром; снижение содержания углерода до 0,015% и менее; длительный нагрев при температуре 870°С с целью коагуляции карбидов хрома, нарушения сплошности карбидной сетки и выравнивания концентрации хрома, что приводит к повышению пассивируемости зон около границ зерен.

Коррозионная стойкость хромоникелевых сталей может быть повышена легированием их молибденом, медью и кремнием. Стали 10Х17Н13М2Т устойчивы в средах, содержащих хлор-ионы, и в органических кислотах. Для более агрессивных сред, например при производстве серной кислоты, применяют стали с повышенным содержанием хрома и никеля типа 06Х23Н28МДТ. Эта сталь обладает высокой пластичностью, хорошей свариваемостью и имеет повышенную коррозионную стойкость.