Коррозионная стойкость металлов и сплавов

Не все металлы и сплавы в одинаковой степени разрушаются определенными коррозионными средами. Так, в атмосферных условиях особенно коррозионно нестойки стальные и чугунные детали. Причем интенсивность коррозии этих деталей значительно увеличивается в атмосфере, загрязненной различными газами. На коррозионную стойкость этих металлов в значительной мере влияют их состав и обработка. Так, шлифованные и полированные детали из черных металлов в начальный период эксплуатации или хранения лучше сопротивляются коррозии.

Ввиду низкой коррозионной стойкости черных металлов они в наибольшей степени требуют защитных мер как в условиях изготовления, так и в условиях хранения и эксплуатации.

Коррозионная стойкость алюминия и его сплавов в большей мере определяется прочностью окисных пленок, которые обладают хорошими защитными свойствами. В атмосфере, не содержащей загрязнений, эта пленка устойчива, а в присутствии промышленных газов (особенно сернистых) она легко разрушается. Нестойка окисная пленка и к действию щелочей и кислот. Алюминий и его сплавы нестойки и к контактной коррозии, в первую очередь с медью и медными сплавами.

Медь в атмосферных условиях сравнительно устойчива к коррозии, однако в присутствии сернистых соединений и аммиака она быстро корродирует с образованием на поверхности металла темных пятен или налета зеленого и рыже-черного цвета.

Из черных сплавов, используемых в сельскохозяйственной технике, наиболее устойчивы к коррозионно-активным средам нержавеющие стали (типа Х18Н9Т, Х18Н10Т и др.), а из цветных сплавов – титановые сплавы. Поэтому их применяют для изготовления деталей, непосредственно контактирующих со средами сельскохозяйственных химикатов.

Таким образом, большинство применяемых в сельскохозяйственной технике сплавов недостаточно стойки к коррозии, требуют противокоррозионной защиты, вид которой определяется техническими возможностями и экономической целесообразностью.

Оценка коррозионной стойкости

Для характеристики коррозионных свойств материалов обычно проводят их испытания на стойкость против общей коррозии, межкристаллитной коррозии и коррозионного растрескивания.

Испытания на общую коррозию. Испытания на общую коррозию проводят на образцах с большим отношением поверхности к объему. Коррозионную среду выбирают с учетом условий эксплуатации материала. Испытания проводят в жидкости при постоянном или многократно повторяемом переменном погружении образцов, в кипящем соляном растворе, в парах или окружающей атмосфере.

Скорость коррозии металлов и сплавов характеризуется глубинным показателем коррозии h_K, мм/год – табл. 2 или потерей массы g_K, г/(м²∙ч) – табл. 3.

Пересчет обоих показателей проводят по формуле:

h_K = 8,76 • g_K / ρ, (1)

где h_K – скорость коррозии, мм/год;

ρ – плотность, г/см³;

g_K – потеря массы образца, г/(м²•ч).

Характеристики h_K и g_K предполагают равномерную коррозию и обычно представляют усредненную по поверхности скорость коррозии. Вместе с тем известно, что локальные виды коррозии наиболее опасны. При сравнительно небольшой общей потере массы металла происходит сильное локальное разрушение конструкции, а это приводит к преждевременному выходу оборудования из строя.

Таблица 2

Десятибалльная шкала коррозионной стойкости металлов по глубине коррозии

Балл коррозионной стойкости	Скорость коррозии hK, мм/год	Группа стойкости
1	≤ 0,001	Совершенно стойкие
2	(> 0,001) – 0,005	Весьма стойкие
3	(> 0,005) – 0,01	Весьма стойкие
4	(> 0,01) – 0,05	Стойкие
5	(> 0,05) – 0,1	Стойкие
6	(> 0,1) – 0,5	Понижено стойкие
7	(> 0,5) – 1,0	Понижено стойкие
8	(> 1,0) – 5,0	Малостойкие
9	(> 5,0) – 10,0	Малостойкие
0	> 10,0	Нестойкие

Таблица 3.

Десятибалльная шкала коррозионной стойкости по скорости коррозии образца

Балл кор. стойкости	Группа стойкости	Потеря массы, gK, г/(м2∙ч)
		Черные металлы	Медь и сплавы	Никель и сплавы	Свинец и сплавы	Алюминий и сплавы	Магний и сплавы
1	Совершенно стойкие	<0,0009	<0,001	<0,001	<0,0012	<0,0003	<0,0002
2	Весьма стойкие	0,0009-0,0045	0,001-0,0051	0,001-0,005	0,0012-0,0065	0,0003-0,0015	0,0002-0,001
3	Весьма стойкие	(>0,0045)-0,009	(>0,0051)-0,01	(>0,005)-0,01	(>0,0065)-0,012	(>0,0015)-0,003	(>0,001)-0,002
4	Стойкие	0,009-0,045	0,01-0,051	0,01-0,05	0,012-0,065	0,003-0,015	0,002-0,01
5	Стойкие	(>0,045)-0,09	(>0,051)-0,1	(>0,05)-0,1	(>0,065)-0,12	(>0,015)-0,03	(>0,01)-0,02
6	Понижено стойкие	(>0,09)-0,45	(>0,1)-0,5	(>0,1)-0,5	(>0,12)-0,65	(>0,03)-0,15	(>0,02)-0,1
7	Понижено стойкие	(>0,45)-0,9	(>0,5)-1,02	(>0,5)-1,0	(>0,65)-1,2	(>0,15)-0,31	(>0,1)-0,2
8	Малостойкие	(>0,9)-4,5	(>1,02)-5,1	(>1,0)-5,0	(>1,2)-6,5	(>0,31)-1,54	(>0,2)-1,0
9	Малостойкие	(>4,5)-9,1	(>5,1)-10,2	(>5,0)-10,0	(>6,5)-12,0	(>1,54)-3,1	(>1,0)-2,0
10	Нестойкие	>9,1	>10,2	>10,0	>12,0	>3,1	>2,0

Поэтому необходима проверка коррозионной стойкости материалов в конкретных условиях эксплуатации, особенно в тех случаях, когда присутствует опасность локальной коррозии.

Испытания на межкристаллитную коррозию (ГОСТ 6032-84). Основной причиной межкристаллитной коррозии коррозионностойких материалов является нагрев при обработке давлением или сварке, приводящий к электрохимической гетерогенности между приграничными участками и объемом зерен.

Температурно-временная область выделения по границам зерен коррозионностойких сталей карбидов хрома приведена на рис. 4. Внутри нее находится область сенсибилизации – повышенной чувствительности к межкристаллитной коррозии. Склонность к межкристаллитной коррозии проявляется в температурном интервале Т_max–T_min за минимальное время τ_min, в течение которого происходит сенсибилизация.

Рис. 4. Температурно-временная область склонности

коррозионностойкой аустенитной стали к межкристаллитной коррозии (МКК), связанной с обеднением границ зерен по хрому:

Т_р – температура растворения карбидов; γ – аустенит;

К – карбиды

При испытаниях на МКК хромистые стали подвергают провоцирующему нагреву при температуре 1100 °С в течение 30 ч, а хромоникелевые аустенитные – при температуре около 700 °С в течение 60 ч. После нагрева образцы выдерживают в течение длительного времени в кипящем водном растворе серной или азотной кислоты. Выбор длительности выдержки и вида коррозионной среды зависит от конкретной марки стали и ее назначения. Для контроля склонности к МКК образцы либо изгибают на оправке на угол 90°, либо подвергают травлению специальными реактивами и металлографическому исследованию. Отсутствие трещин на поверхности образца свидетельствует о его стойкости к МКК.

На рис. 5 приведены микроструктуры стали 08Х18Н10 после испытаний на межкристаллитную коррозию в разных средах.

а) б)

Рис. 5. Микроструктура стали 08Х18Н10

после закалки с 1050 °С в воде и отпуска при 700 °С:

а – межкристаллитная коррозия при испытании

в растворе 25 %-ной HNO₃ + 40 г/л Сr⁶⁺, продолжительность 200 ч;

б – то же в растворе кипящей 65 %-ной HNO₃ + Сr⁶⁺, × 500

Испытания на коррозионное растрескивание. Этот вид испытаний проводят при нагружении образца в коррозионной среде, соответствующей служебным условиям эксплуатации детали. Среда не должна вызывать общей коррозии и оказывать воздействие на ненагруженные образцы металла. Для аустенитных хромоникелевых сталей примером такой среды может служить кипящий раствор смеси солей MgCl₂, NaCl и NaNO. Агрессивность сред должна быть не меньше той, в которой должны служить испытуемые материалы.

Испытания на коррозионное растрескивание могут проводиться либо в условиях, вызывающих разрушение материалов (испытания на растяжение, на вязкость разрушения и усталость), либо путем определения времени появления первой трещины. Последний вид испытаний состоит в фиксации нагруженных образцов в специальных приспособлениях или с помощью создания напряжений клином в разрезанных кольцах. Время до появления трещин характеризует стойкость материалов против коррозионного растрескивания.

Контрольные вопросы\

1. Перечислите методы защиты металлов и сплавов от коррозии.

2. Чем определяется выбор метода защиты от коррозии?

3. Что такое легирование стали?

4. Что такое биметаллы?

5. Каким методом изготавливают биметаллы?

6. Что такое ингибиторы коррозии?

7. Каков механизм защиты металлов и сплавов от коррозии с помощью анодных ингибиторов?

8. Каков механизм защиты металлов и сплавов от коррозии с помощью катодных ингибиторов?

9. Каковы преимущества использования летучих ингибиторов?

10. Какая форма изделий является предпочтительной для замедления процессов коррозии?

11. Как влияет на скорость коррозии чистота обработки деталей?

12. Чем объясняется высокая коррозионная стойкость алюминия и его сплавов?

13. Назовите наиболее коррозионностойкие черные сплавы.

14. Назовите наиболее коррозионностойкие цветные сплавы.

15. Чем определяется выбор вида коррозионной защиты?

16. Какие виды коррозии исследуют при проведении испытаний на коррозионную стойкость?

17. В какой коррозионной среде проводят испытания на общую коррозию?

18. Какими показателями характеризуется скорость коррозии металлов и сплавов?

19. Какова размерность глубинного показателя коррозии?

20. Какова размерность потери массы образца при коррозии?

21. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к совершенно стойким?

22. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к весьма стойким?

23. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к стойким?

24. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к малостойким?

25. Какой скоростью коррозии характеризуются материалы, относящиеся к нестойким?

26. Какова потеря массы образца черного сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 3?

27. Какова потеря массы образца медного сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 7?

28. Какова потеря массы образца никелевого сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 4?

29. Какова потеря массы образца свинцового сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 5?

30. Какова потеря массы образца алюминиевого сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 9?

31. Какова потеря массы образца магниевого сплава, имеющего балл коррозионной стойкости 10?

32. Что является основной причиной межкристаллитной коррозии?

33. Расшифруйте марку сплава 08Х18Н10.

34. В какой коррозионной среде проводят испытания на коррозионное растрескивание?

35. Как проводятся испытания на коррозионное растрескивание?