Легування сталей, як спосіб підвищення корозійної стійкості

Корозія і захист від корозії

Для додання сталям певних механічних властивостей або корозійної стійкості в їх склад вводять легуючі елементи. Легуючі елементи утворюють з залізом тверді розчини, а взаємодіючи один з одним або з домішковими елементами - неметалеві включення або надлишкові фази.

Хімічний склад сталей відповідає стандартам, що позначається для різних країн-виробників наступним чином: ГОСТ - Україна (або СРСР); AISI - США; В 8. - Великобританія; А.F.N.О.R. - Франція; DIN - Німеччина (ФРН); SIS - Швеція, М82 - Угорщина; CSN - Чехія (Чехословаччина). Для позначення хімічного (марочного) складу сталей згідно вітчизняної класифікації використовується цифрове і буквене позначення. Кожному з легуючих елементів присвоєна певна буква українського алфавіту: X - Сг; Н - Ni; М - Мо; Г - Мп; Ю - А1; Ф - W; С - Si; Т - Ti; Д - Сu; Б - Nb; А - N. За буквою, що позначає хімічний елемент, слід одно- або двозначне ціле число, відповідне концентрації легуючого елемента в масових%. Перша цифра абревіатури, що позначає марку стали, відповідає концентрації вуглецю в сотих частках мас. %.

Низьколегованісталі містять в своєму складі легуючі елементи в кількості декількох відсотків, що вводяться, в основному, для додання сталям певних механічних або технологічних властивостей.

В особливу групу слід виділити корозійностійкі сталі, до складу яких обов'язково входить хром в кількості 12 і більше (до 30) мас.%. Стали зазначеної групи розроблені спеціально для експлуатації в особливо агресивних умовах, що характерно для хімічної промисловості, де вуглецеві і низьколеговані сталі нестійкі. Класифікація, номенклатура і хімічний склад вітчизняних корозійностійких сталей представлені ГОСТ 5632-72.

Хром має високу схильністю до пасивації в середовищах різної кислотності і аніонного складу. Він стійкий також до піт-тінговой корозії. Поляризаційна крива розчинення хрому в сірчаної кислоти приведена на рис. 7.2 (крива 2). Область пассивации настає при більш негативному потенціалі, ніж у заліза, а

критичний струм пасивації приблизно на два порядки менше. Це означає, що хром володіє більш високою схильністю до пасивності, ніж залізо.

Пасивність хрому забезпечується освітою на його поверхні шару оксиду Сг2О3.

В системі Ре-Сг реалізується правило Таммана. згідно з цим

правилом стрибкоподібне підвищення стійкості сплаву відбувається при частці благородних або корозієстійких атомів в сплаві, що дорівнює га / 8, де га - ціле число (1, 2, 3, 4, 6).

Близько 35,8 мас.% Сг, тобто приблизно при 3/8 атомних частках хрому в сплавах, з'являється межа стійкості до таких активних середовищ, як царська горілка.

чистого хрому (рис. 7.4). При зазначеному змісті хрому відбувається і різке стрибкоподібне зниження критичного струму пасивації, тобто зменшення швидкості розчинення металу (рис. 7.5).

також зазнають істотне поліпшення при досягненні 12% Сг (рис. 7.6).

При концентрації в сплавах 17% Сг відбувається друге різке поліпшення питтингов-стійкості. Сплави, що містять більше 40% Сг, як і чистий хром, у водних середовищах взагалі не піддаються виразкової корозії.

Основним недоліком хромистих сталей є їх висока схильність до крихкого руйнування. Для подолання цього недоліку корозійностійкі стали легують нікелем. Завдяки високій міцності, пластичності і корозійної стійкості нікель використовують і як основу для виготовлення корозійно стійких конструкційних матеріалів.

. Нікель знижує швидкість

дифузії вуглецю в кристалічній решітці сплавів на основі заліза, тим самим перешкоджаючи виділенню карбідної фази.

контактує з електролітом).

. Більше 70% всіх вироблених нержавіючих ста-

17% хрому і понад 10% нікелю.

представлений на рис. 7.8.

Па рис. 7.8 б. позначені склади промислових сталей.

Для більшого підвищення корозійної стійкості до складу хромонікелевих нержавіючих сталей вводять молібден. Молібден покращує пассівіруемость сталей в неокислювального середовищах, звужуючи область активного розчинення, і сприяє суттєвому зниженню їх схильності до виразкової і щілинної корозії за рахунок пригнічення піттінгообразованія, полегшення репассіваціі, зниження швидкості розчинення металу в осередках локальної корозії і збільшення індукційного періоду.

Молібден і вольфрам мають ОЦК кристалічну решітку і володіють обмеженою розчинністю в залозі. Збільшення стійкості пасивного стану хромонікельмолібденових сталей пояснюється входженням молібдену до складу пасивуючих шарів. Передбачається, що при потенціалах пасивної області сталей, де молібден піддається перепассіваціі, тобто розчиняється з утворенням молибдат-іонів, відбувається утворення змішаних оксидів хрому і молібдену, що володіють більш високими захисними властивостями, ніж оксид хрому.

Основним недоліком хромонікельмолібденових сталей є їх низька стійкість в окислювальних середовищах. Для додання хромистого і хромонікелевим сталей високих характеристик міцності їх додатково легують вольфрамом. Крім поліпшення механічних властивостей вольфрам, подібно молібдену, збільшує корозійну стійкість сталей, проте його дія виявляється не настільки ефективним.

Марганець в концентраціях 6-9% в комбінації з нікелем забезпечує в порівнянні з хромонікелеві сплавами більш високу межу розчинності вуглецю і азоту, підвищену стабільність аустеніту.

Азот є сильним аустенітообразующім елементом. Він дуже корисний в аустенітних і аустеніто-феритних сталях. Азот зміцнює твердий розчин сильніше, ніж вуглець, підвищує стійкість проти виразкової корозії, уповільнює виділення карбідних і інтерметаллідних фаз. Однак, присутність азоту в сталях ферритного класу небажано, так як він негативно впливає на їх механічні властивості.

Мед' введена в стали, підвищує їх стійкість в мінеральних кислотах.

і тим самим видаляють вуглець з твердого розчину. При їх введенні в сталь підвищується стійкість сталей проти локальних видів корозії.

Елементи S. Pb, Se вводять в сплави для підвищення механічної оброблюваності. А1 і 81 підвищують жаростійкість, микродобавки рідкісних металів (бор і цирконій) покращують механічні властивості.

Таким чином, найважливішим напрямком підвищення корозійної стійкості конструкційних матеріалів є протикорозійне легування.

Регулювання фазового складу сталей. Реальні стали є гетерогенними системами, що містять в твердому розчині - металевої матриці - сторонні фази (так звані надлишкові фази і неметалеві включення). Надлишкові фази (до них відносять карбіди, нітриди, силіциди, бориди) і неметалеві включення (оксиди і сульфіди) утворюються в результаті взаємодії домішкових і легуючих елементів сталей і відрізняються від металевої матриці хімічним складом, кристалічною структурою і електрохімічними характеристиками. Незважаючи на відносно невелику кількість (від сотих до десятитисячних доль мас.%) Сторонні фази вносять свій внесок в інтегральну швидкість анодного і катодного процесів і характер розчинення металу.

розчинення будь-якої фази виявляється нижче, ніж твердого розчину, то поступове її накопичення на поверхні стали призведе до зниження загальної швидкості розчинення за рахунок зменшення частки розчиняється поверхні і труднощі дифузійних процесів підведення і відведення учасників електрохімічної реакції. Якщо при Е ^ кор швидкість розчинення фази перевищує швидкість розчинення металевої матриці, то відбувається її виборче розчинення, часто приводить до розвитку локальних корозійних процесів. Таким чином, домогтися підвищення корозійної стійкості нержавіючих сталей, який можна порівняти з досягається при додатковому легуванні досить великою кількістю дорогих і дефіцитних легуючих елементів, можна регулюванням їх фазового складу. Для нержавіючих сталей це досягається запобіганням освіти в їх структурі карбідів хрому і Марго-нецсодержащіх сульфідів, здійснюваним різними способами - рафинированием металу або модифікування його елементами, що володіють більш високим, ніж Сг і Мп, спорідненістю до вуглецю або сере, і утворюють з ними більш стійкі з'єднання. Обидва способи реалізуються на стадіях виплавки і переплавок металу.