1.4. Другие методы защиты От коррозии

Для защиты от коррозии металлических изделий применяют также нанесение на поверхность покрытий как металлических, так и не­металлических.

Металлические покрытия наносят электроосаждением, погру­жением в расплавленные металлы, металлизацией напылением, химическим осаждением солей, путем диффузии и т. д. В послед­нее время все большее распространение получает нанесение по­крытий в вакууме. В этом случае покрытия получают испаре­нием металлов в вакууме с последующей конденсацией паров на защищаемой поверхности. Этим способом производят алюмини-рование, кадмирование и цинкование в вакууме стальных де­талей.

Знание механизма коррозии позволило создать методы кор­розионной защиты путем наложения на металл такого потен­циала, при котором он становится термодинамически устойчивым. К таким методам относятся катодная защита и уменьшение агрес­сивности среды, окружающей металлоконструкцию.

Катодная защита состоит в присоединении к защищаемой кон­струкции анода протектора с более отрицательным электрохими­ческим потенциалом. Катодную или протекторную защиту ши­роко применяют при защите от морской и подземной коррозии металлоконструкций, коммуникаций, трубопровода, сосудов и т, д. В качестве анодов-протекторов для защиты стальных изде­лий обычно применяют магниевые сплавы, сплавы цинка и алю­миния.

Для уменьшения агрессивности окружающей среды в нее вводят добавки, называемые ингибиторами коррозии, которые или способствуют пассивации металла, или значительно снижают скорость коррозии металлов. Условием использования ингиби­торов является эксплуатация изделия в замкнутой среде постоян­ного состава. В качестве ингибиторов коррозии используют раз­личные органические и неорганические вещества.

2. Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

Для материалов, используемых при высоких температурах, основными характеристиками являются жаростойкость (окалино-стойкость) и жаропрочность.

Способность металла сопротивляться химическому действию окружающей газовой среды при высоких температурах называ­ется жаростойкостью или окалиностойкостью. При нагреве выше 600 °С происходит интенсивное окисление сплавов на основе железа. Образующаяся на поверхности металла рыхлая пленка оксида FeO неспособна предотвратить диффузию кислорода в ме­талл. Такие легирующие элементы, как Cr, Si, A1, улучшают со­став и строение оксида пленки. Она становится плотной, хорошо прилегающей к металлу, что затрудняет диффузию кислорода.

Плотные защитные оксидные пленки чаще всего получают при введении в сталь достаточных количеств хрома. Поэтому корро-зионностойкие стали одновременно являются жаростойкими ста­лями. При этом жаростойкие свойства растут с увеличением со­держания хрома в стали. Сталь, содержащая 5 % Сг сохраняет окалиностойкость до 600 °С (15X5), 9 % (40Х9С2) — до 800 °С, 17 % (08Х17Т) — до 900 °С. Для изготовления деталей газовых турбин и печного оборудования применяют сталь 20Х23Н18, имеющую окалиностойкость 1050—1100°С.

Другой важнейшей характеристикой высокотемпературных материалов является жаропрочность.

Способность материала сопротивляться пластической дефор­мации и разрушению при высоких температурах называется жаропрочностью. При температурах, близких к началу рекри­сталлизации, приложение нагрузки, даже меньшей предела текучести, приводит к медленной пластической деформации, металл как бы «ползет». Это явление называется ползучестью или крипом. Учитывая, что развитие высокотемпературной пол­зучести совпадает с началом рекристаллизации, роста жаропроч­ности сплава может быть достигнут при повышении температуры его рекристаллизации.

Различают следующие виды жаропрочных сталей и сплавов:

1. Перлитные стали. Стали перлитного класса используют для изготовления крепежа, труб, паропроводов, пароперегрева­телей и коллекторов энергетических установок, длительно рабо­тающих при температурах 500—550 °С. Перлитные стали содер­жат относительно малые количества углерода и обычно легированы хромом, молибденом и ванадием (марки 12ХМ, 12Х1МФ).Стали этого класса используют в закаленном или нормализован­ном и высокоотпущенном состоянии.

2. Мартенситные стали. Стали мартенситного класса исполь­зуют для изготовления деталей энергетического оборудования (лопатки, диафрагмы, турбинные диски, роторы), длительно рабо­тающих при температурах 600—620 °С. Стали более значительно легированы хромом, а также легированы вольфрамом, молибденом, ванадием (марки 15X11МФ, 15Х12ВНМФ). Высокая жаро­прочность этих сталей достигается при закалке от 1000—1050 °С в масле на мартенсит с последующим отпуском на сорбит или троостит.

Клапаны выхлопа двигателей внутреннего сгорания неболь­шой и средней мощности изготовляют из сильхромов-хромо-кремнистых сталей мартенситного класса типа 40Х9С2, 40Х10С2М. Клапаны мощных моторов изготовляют из аустенитных сталей.

3. Аустенитные стали. Из этих сталей изготовляют роторы, диски, лопатки газовых турбин, клапаны дизельных двигателей, работающие при температурах 600—700 °С. Хромоникелевые аустенитные стали для увеличения жаропрочности дополнительно легируют вольфрамом, молибденом, ванадием, ниобием, боромного класса являются марки 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР 45Х14Н14В2М.

Термообработка этих сталей состоит из закалки и старения при температурах выше эксплуатационных. При старении про­исходит выделение из аустенита мелкодисперсных избыточных фаз, что дополнительно увеличивает сопротивление стали пол­зучести.

4. Сплавы на никелевой основе. Эти сплавы работают при температурах до 700—900 °С. К сплавам на никелевой основе относятся:

нихромы, содержащие никель и хром, используемые как жаро­стойкие материалы для нагревательных элементов;

нимоники — стареющие сплавы на основе никеля, содержа­щие хром, титан и алюминий. Примером нимоника может служить сплав ХН77ТЮР, содержащий, %: 19—22 Сг, 2,4—2,811, 0,6— 1,0 А1, остальное N1. Максимальная жаропрочность нимоников достигается после закалки от 1100—1200 °С и старения при 700— 750 °С в течение 15—20 ч.

5. Керамические материалы. Материалы на основе SiC, Si₃N₄, системы Si—Al—О—N начинают применять в качестве жаро­прочных для изготовления поршней, головок блока цилиндров двигателей внутреннего сгорания. Керамические материалы имеют низкую плотность, они прочны, износостойки, хорошо сопро­тивляются коррозии и эрозии. Детали из этих материалов спо­собны работать при температурах более 1500—1700 °С, не боясь перегрева и не требуя принудительного охлаждения.

Недостатками керамических материалов являются хрупкость и относительная технологическая сложность изготовления де­талей.

6. Тугоплавкие материалы. Для работы при температурах более 1000 °С применяют тугоплавкие металлы и сплавы на их основе.

Тугоплавкими называются металлы, имеющие температуру плавления выше, чем у железа. Наибольшее применение в тех­нике находят тугоплавкие металлы, имеющие следующие тем­пературы плавления: Сr 1900, Nb 2415, Mo 2620, Та 3000, W 3410 °С.

Расширение производства и применение тугоплавких метал­лов и сплавов связано с развитием атомной теплоэнергетики и ра­кетно-космической техники.

Сплавы на основе ниобия и молибдена имеют наиболее удовле­творительные технологические свойства. Кроме того, они охрупчиваются при сравнительно низких температурах (+100) — (—100) °С. Вольфрам переходит в хрупкое состояние при темпе­ратуре 600 °С. Благодаря сравнительно высокой пластичности сплавы ниобия и молибдена имеют более широкое распростра­нение. Все тугоплавкие металлы имеют низкую жаростойкость. Для защиты их от окисления применяют различные покрытия. Для молибденовых и вольфрамовых сплавов применяют различные термодиффузионные силицидные покрытия.

В качестве материала для вкладышей сопел в реактивных двигателях работающих на твердом топливе, применяют графит, имеющий температуру плавления 3900 °С. Температура пла­мени в таких двигателях достигает 3500 °С. Недостатком графита является низкая эрозионная стойкость, приводящая к износу сопла из-за твердых частиц, содержащихся в отходящих газах.

Для изготовления сопел можно использовать пористый спеченный вольфрам, пропитанный материалами с высокой теплопро­водностью — медью или серебром.