Химсопрмат

серной кислоте приведена на рис. 5.2 (кривая 2). Область пассивации наступает при более отрицательном потенциале, чем у железа, а критический ток пассивации примерно на два порядка меньше. Это означает, что хром обладает более высокой склонностью к пассивности, чем железо [24].

Рис. 5.3. Диаграмма состояния системы Fe Cr

Железо и хром имеют одинаковый тип кристаллической решетки с близкими параметрами и дают непрерывный ряд твердых растворов

239

(рис. 5.3). Преобладающей твердой фазой является фаза (феррит). При содержании менее 11,5-12% Cr при температурах не выше 8651400 °С существует фаза (аустенит). При концентрации Cr в 2075% при температурах не выше 800-850 °С образуется фаза, которая является интерметаллическим соединением (см. рис. 5.3) [24].

При достижении содержания хрома 12% масс. характеристики питтингостойкости улучшаются (рис. 5.4) [24], при 17% масс. наблюдается второе резкое улучшение питтингостойкости. При содержании хрома 40% масс. сталь не подвергается питтинговой коррозии, как и чистый хром.

Рис. 5.4. Влияние концентрации хрома на скорость питтинговой коррозии

Основным недостатком хромистых сталей является их высокая склонность к хрупкому разрушению. Для преодоления этого недостатка коррозионно-стойкие стали легируют никелем. Благодаря высокой прочности, пластичности и коррозионной стойкости никель используют и как основу для изготовления коррозионно-стойких конструкционных материалов.

Никель образует с железом непрерывный ряд твердых растворов

(рис. 5.5). При снижении температуры твердый раствор распада-

ется на . Равновесная концентрация Ni в твердом растворе достигает ~ 7,5%. При концентрации в сплаве ~ 74% никеля происхо-

240

дит образование интерметаллического соединения FeNi3 . Никель снижает скорость диффузии углерода в кристаллической решетке сплавов на основе железа, тем самым препятствуя выделению карбидной фазы [1, 24].

Рис. 5.5. Диаграмма состояния системы Fe Ni

Введение в сталь никеля не только способствует улучшению механических свойств вследствие аустенизации структуры, но и облегчает пассивацию и повышает устойчивость пассивного состояния, в

241

том числе в средах, провоцирующих развитие таких локальных коррозионных процессов, как питтинговая и щелевая коррозия. Повышение коррозионной стойкости сталей вследствие легирования их никелем не связано с изменением состава и свойств пассивирующей пленки, так как никель в составе пассивирующих пленок не обнаружен. Недостатком хромоникелевых аустенитных сталей является их низкая стойкость к коррозионному растрескиванию, минимум которой приходится на наиболее широко распространенные стали типа 18Cr- 8Ni. Более 70% всех производимых нержавеющих сталей являются сталями аустенитного класса, содержащими 17% хрома и свыше

10% никеля [24].

Для повышения коррозионной стойкости в состав хромоникеле-

вых нержавеющих сталей вводят молибден. Молибден улучшает пас-

сивируемость сталей в неокислительных средах, сужая область ак-

тивного растворения, и способствует существенному снижению их склонности к питтинговой и щелевой коррозии за счет затруднения питтингообразования, облегчения репассивации, снижения скорости растворения металла в очагах локальной коррозии и увеличения ин-

дукционного периода.

Молибден и вольфрам обладают ограниченной растворимостью в железе [1]. Увеличение устойчивости пассивного состояния хромо-

никельмолибденовых сталей объясняется вхождением молибдена в состав пассивирующих слоев. Предполагается, что при потенциалах пассивной области сталей, где молибден растворяется с образованием молибдат-ионов, происходит образование смешанных оксидов хрома и молибдена, обладающих более высокими защитными свойствами,

чем оксид хрома.

Основным недостатком хромоникельмолибденовых сталей явля-

ется их низкая стойкость в окислительных средах. Для придания хро-

мистым и хромоникелевым сталям высоких прочностных характери-

стик их дополнительно легируют вольфрамом. Кроме улучшения ме-

ханических свойств вольфрам, подобно молибдену, увеличивает кор-

242

розионную стойкость сталей, однако его действие оказывается не столь эффективным [4].

Углерод является необходимым легирующим элементом в сталях мартенситного класса (стали 30X13, 40X13, 95X18 и др.), где он обеспечивает высокие прочностные характеристики. В сталях других структурных типов углерод является вредной примесью, он образует карбиды хрома (типа Cr23C6 ), что снижает содержание хрома в сплаве.

Марганец в концентрациях 6-9% в комбинации с никелем обес-

печивает по сравнению с хромоникелевыми сплавами более высокий предел растворимости углерода и азота, повышенную стабильность аустенита [1, 4, 24].

Азот является сильным аустенитообразующим элементом. Он очень полезен в аустенитных и аустенитно-ферритных сталях. Азот упрочняет твердый раствор сильнее, чем углерод, повышает стой-

кость к питтинговой коррозии, замедляет выделение карбидных и интерметаллидных фаз. Однако присутствие азота в сталях ферритного класса нежелательно, так как он отрицательно влияет на их механи-

ческие свойства.

Медь, введенная в сталь, повышает ее стойкость в минеральных кислотах.

Титан и ниобий образуют карбиды TiCи NbC и тем самым уда-

ляют углерод из твердого раствора. При их введении в сталь повыша-

ется ее стойкость к локальным видам коррозии.

Элементы S, Pb, Se вводят в сплавы для улучшения механиче-

ской обрабатываемости. Al и Si повышают жаростойкость, микродо-

бавки редких металлов (бор и цирконий) улучшают механические свойства [1, 24].

Добиться повышения коррозионной стойкости нержавеющих сталей можно регулированием их фазового состава. Для нержавею-

щих сталей это достигается предотвращением образования в их структуре карбидов хрома и марганца, что реализуются на стадиях выплавки и переплавки металла.

243

В зависимости от структуры коррозионно-стойкие стали под-

разделяются на следующие группы [1, 4, 24, 47]:

мартенситные – стали, основной структурой которых является мартенсит. Это хромистые стали с 12-17% хрома, содержащие бо-

лее 0,15% углерода, например 08X13, 12X13, 20X13, и некоторое ко-

личество ванадия, вольфрама, молибдена, никеля, например 30X13, 40X13, 95X18;

мартенсито-ферритные – стали, структура которых представляет собой смесь двух фаз: мартенсита и не менее 10% феррита.

Это хромистые стали с 13-18% хрома, в которых содержание углерода не превышает 0,15%. Сюда относятся стали типа 12Х13, 15Х13. В

ряде случаев эти стали могут быть дополнительно легированы алю-

минием, титаном, никелем и кремнием, например, стали 14Х17Н2, 12Х17;

ферритные – стали, имеющие структуру феррита и не пре-

терпевающие превращения . Они содержат от 13 до 30% хрома и отличаются низким содержанием углерода (менее 0,15%), например

08Х13. Иногда они дополнительно могут быть легированы титаном,

ниобием, кремнием, молибденом и алюминием, например 08X17Т, 08X17Т1; в их число входят и суперферриты, содержащие понижен-

ное количество С, N и О (например 015Х18М2Б);

аустенитные – стали, имеющие структуру аустенита и содержащие 17-22% хрома, более 10% никеля, стабилизированные или нестабилизированные титаном, ниобием, цирконием или молибденом.

Кним относятся хромоникелевые стали типа Х18Н10Т, хромоникельмолибденовые стали 03Х17Н14М2, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н13М2Т, хромоникельмарганцевые и хромомарганцевые стали 20Х13Н4Г9, 10Х14АГ15, 07Х21Г7АН5, высоколегированные корро- зионно-стойкие сплавы на основе железа, например 03ХН28МДТ;

аустенито-ферритные – стали, имеющие структуру аустенита и феррита в количестве не менее 10%, например 08Х22Н6Т, 03Х25Н5АМ2, 06Х225Н7М2Б;

244

аустенито-мартенситные – стали, имеющие двухфазную ау- стенитно-мартенситную структуру. Они содержат 12-18% хрома, 4- 9% никеля, добавки алюминия и молибдена. К ним относится также ряд сталей на основе системы железо-углерод-хром-марганец, напри-

мер 09Х15Н8Ю, 08Х13Н8Д2ТМ.

Химический состав наиболее распространенных сталей этого класса приведен в табл. 5.1, а в табл. 5.2 представлен состав некоторых зарубежных хромистых нержавеющих сталей

245

Окончание табл. 5.1

246

Окончание табл. 5.2

247

5.2.Материалы на основе цветных металлов и сплавов

Впромышленности наряду с легированными сталями нашли широкое применение и другие материалы, например алюминий, цинк, свинец, медь и др.

5.2.1. Алюминий и его сплавы

Алюминий и его сплавы занимают одно из первых мест по про-

изводству и потреблению.

Температура плавления – 658 °С, хорошо поддается сварке, про-

катке, ковке и другим механическим операциям. Механические свой-

ства алюминия невысоки и в значительной степени зависят от харак-

тера термической обработки.

Стандартный электродный потенциал алюминия равен –1,66 В,

т. е. он является достаточно активным металлом. Однако алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах благодаря склонности к пассивированию.

В случае равномерного разрушения алюминия скорость коррозии определяют по уменьшению его массы после удаления продуктов коррозии (табл. 5.3) [24].

Таблица 5.3

Шкала коррозионной стойкости алюминия и его сплавов

В пассивном состоянии поверхность алюминия покрыта пленкой,

состоящей из Al2O3 или Al2O3 H2O, толщиной от 5 до 100 нм в зави-

симости от условий эксплуатации. Пленка на алюминии обладает хо-

рошим сцеплением с металлом и удовлетворяет требованию сплош-

ности. Поэтому коррозионная стойкость алюминия во многом опре-

деляется величиной рН раствора (рис. 5.6) [24]. Пленка на алюминии образуется при рН = 3-9. Алюминий стоек в атмосферных условиях и

248