Коррозионностойкой стали

Элементы	45%-ный кипящий раствор MgCl2 (154^оС)	Вода высоких параметров(300^оС) с концентрацией 500 млн^–1 ионов Cl^– и 8 млн^–1 кислорода
С	А	Д
Si	А	Б
Cu	Г	Б
Mo	Д	Б
Ni	А	Б
Cr	Г	Б
P	Д	Г
N	Г	Г
V	В	Б
Примечание. А – особо полезный; Б – полезный; В – не влияет; Г – вредный; Д – особо вредный

Точечная коррозия

Коррозия, имеющая форму поверхностных язвин, отличается тем, что при некоторых условиях она может успешно развиваться на микроско-пических участках даже при пассивном состоянии большей части поверх-ности (рис. 2.27).

1 – пассивная оксидная пленка; 2 – металл

Рисунок 2.27 – Модель точечной коррозии

Точечная коррозия возникает в растворах, содержащих катионы га-лоидов (хлора, брома, иода), растворенный кислород и анионы двухвалент-ного железа, двухвалентной меди и других элементов. При возникновении зародыша точечной коррозии концентрация катионов хлора в образовав-шейся язвине становится выше, чем в окружающей агрессивной среде, что вызывает дальнейший рост язвины из-за снижения плотности водородных ионов (величины рН). Хром и молибден вызывает торможение точечной коррозии.

Щелевая коррозия

Коррозия, обладающая большим сходством с точечной коррозией, зарождается в щелях, где создаются условия для повышения концентрации агрессивных компонентов состава среды. Точечная же коррозия, зарожда-ясь на микроучастках, выростает в язвины, которые могут играть роль ще-лей и стимулировать щелевую коррозию. Поэтому при разработке констру-кции и выборе материалов для каждого из ее элементов следует особое внимание уделять мерам, направленным на исключение условий зарожде-ния и развития щелевой коррозии. Металловедческие меры предотвраще-ния этой коррозии совпадают с мерами, рекомендуемыми для защиты от точечной коррозии.

Испытание на стойкость к щелевой коррозии не включено в стандарт и каждый исследователь выбирает способ, испытаний по-своему усмотре-нию. На рис. 2.28 показано устройство для испытания на стойкость к ще- левой коррозии, представляющее собой электрически замкнутую систему из двух шаров [2].

1 – амперметр; 2 – водный раствор поваренной соли;

3 – шар большого диаметра; 4 – тефлоновая трубка;

5 – шар малого диаметра; 6 – щель; 7 – стеклянная емкость

Рисунок 2.28 – Схема устройства для испытания на стойкость

к щелевой коррозии

Шар малого диаметра в этом устройстве – образец из испытуемого материала, шар большого диаметра изготовлен из стали, отличающейся от стали образца. Агрессивная среда – раствор поваренной соли с различны-ми ингибиторами окисления, добавляемыми с целью изучения их эффек-тивности. О стойкости к щелевой коррозии судят по показателям ампер-метра.

Коррозионная усталость

Снижение прочности металла, возникающее в результате совмест-ного воздействия агрессивной среды и знакопеременной нагрузки, называ-ют коррозионной усталостью. Разрушение в результате коррозионной ус-талости проявляется в большей степени, чем разрушение от раздельного воздействия двух названных факторов. Разрушение под действием корро-зионной усталости отличается от разрушения в результате коррозионного растрескивания под напряжением по ряду следующих аспектов: 1) разру-шение может происходить только под воздействием знакопеременной или периодической нагрузки; 2) разрушению в результате коррозионной уста-лости подвержены и чистые металлы; 3) коррозионная усталость возникает в любых агрессивных средах.

Высокотемпературная коррозия

Во время работы при высоких температурах в условиях интенсивно-го течения химических, диффузионных и испарительных процессов на по-верхности изделия зачастую образуется толстый слой продуктов коррозии. Высокотемпературная коррозия включает высокотемпературное окисле-ние, жидкостную коррозию при высокой температуре, анодную коррозию на высокотемпературных участках при наличии большого температурного градиента и т. д. Ниже рассмотрено высокотемпературное окисление.

Для повышения стойкости металла к высокотемпературному окисле-нию необходимо: 1) образование плотной и равномерной оксидной пленки на поверхности, низкий уровень коэффициентов диффузии ионов металла и окиси внутри пленки; 2) стойкость образующейся оксидной пленки к растрескиванию и отслоению; 3) быстрое восстановление защитной пленки после ее растрескивания или отслоения.

Всеми этими способностями обладает хром, являющийся одним из элементов, повышающих стойкость стали к высокотемпературному окислению.

Структура оксидной пленки на поверхности стали и сплава опреде-ляется парциальным давлением кислорода и упругостью диссоциации (табл. 2.7).

Парциальное давление кислорода внутри пленки в направлении к поверхности сплава постепенно снижается, однако хром способен к образованию оксида Сг₂О₃ в самом нижнем ее слое при самом незначительном парциальном давлении кислорода.

Таблица 2.7 – Упругость диссоциации оксидов при 1000°С

Стали и сплавы с высоким содержанием хрома имеют высокую стой-кость к высокотемпературному окислению в связи с тем, что оно обеспечи-вает быстрое образование плотной защитной пленки, состоящей из оксида Сг₂О₃.

Структура оксидной пленки хромистой стали по её толщине пока-зана на рис. 2.29.

1 – сплав; 2 – оксиды; 3 – кислород воздуха

Рисунок. 2.29 – Структура поверхностной оксидной пленки

сплава системы Fe – Сr

Парциальное давление кислорода внутри пленки в направлении к по-верхности сплава постепенно снижается, однако хром способен к образо-ванию оксида Сг₂О₃ в самом нижнем ее слое при самом незначительном парциальном давлении кислорода.

Стали и сплавы с высоким содержанием хрома имеют высокую стой-кость к высокотемпературному окислению в связи с тем, что он обеспечи-вает быстрое образование плотной защитной пленки, состоящей из оксида Сг₂О₃.

Коррозионно-механический износ при высокой температуре

Анализ эксплуатации при высоких температурах (900…1000°С) в сложных условиях абразивно-коррозионного разрушения серийных литых деталей, изготовляемых из высоколегированных аустенитных и аустенит-но-ферритных сталей марок 35Х18Н24С2Л, 40Х24Н12СЛ, 35Х23Н7СЛ по-казал, что их разрушение происходит по местам расположения легкоплав-ких соединений нестехиометрического состава, формирующихся на грани-цах и приграничных областях зерен металлической матрицы. В процессе длительной высокотемпературной эксплуатации (более 10000 часов) они способствуют формированию пустот и трещин в структуре металла, кото-рые в условиях интенсивного абразивного изнашивания (усилие действия абразива не более 20 кПа) приводят к разрушению деталей.

Коррозионно-механическое изнашивание не является процессом про­стого суммирования коррозионного и механического факторов. Оно пред­ставляет собой сложное явление, в котором коррозионное химическое воз­действие служит основой усталостного разрушения. Изнашивание же в свою очередь активизирует протекание химической коррозии.

Имеются данные [18, 19] о применении ферритных сплавов в условиях длительной работы (3000…9000 часов) при высоких температурах. Оксидная пленка по данным [20] не влияет на износостойкость. При температурах менее 400°С ее образованием можно пренебречь. Однако, если рассматривать работу сплавов при высоких температурах до 1000°С, то защитная пленка выполняет функцию барьера, позволяющего сохранить характеристики металла, который определяет параметры сплавов при изнашивании.

В настоящее время для более глубокого изучения этого вопроса раз­рабатывается специальное оборудование, обеспечивающее понимание ме-ханизма высокотемпературного изнашивания.

Влияние легирования и модифицирования на сопротивление

абразивному разрушению при высокотемпературной коррозии

Для работы в условиях абразивного изнашивания при высокотемпе-ратурном воздействии необходимо применение высоколегированных сплавов, где решающим фактором является уровень их легированности (С, Сr, Si, Ni). Установлено, что сплавы, содержащие углерод в свободном виде (графит) в условиях абразивного воздействия, имеют низкие показатели износостойкости ввиду минимальной твердости.

Широкое применение в промышленности находят сплавы, где угле-род образует дисперсные химические соединения, имеющие значительную твердость, сравнимую с твердостью абразивных материалов, применяемых в промышленности. Возрастающее количество углерода в стали до 1,2 % увеличивает прочность сплавов. Дальнейшее повышение содержания уг-лерода до 4 % приводит к снижению этого показателя, при котором спла-вы, будучи очень хрупкими, не находят применения. Однако в ряде напла-вочных материалов предельные концентрации углерода могут достигать 5,2 % [21, 22].

Определение концентрации углерода, обеспечивающей оптимальное соотношение абразивной износостойкости и длительной жаростойкости, является актуальной задачей науки и требует уточнения.

Хром вводится в износостойкие сплавы для получения необходимого уровня свойств и термически устойчивой структуры. С повышением содер­жания хрома (до 32 %) растворимость углерода в матрице сплава умень-шается, что облегчает выделение карбидных фаз и увеличивает степень ус-тойчивости твердого раствора высокохромистого феррита.

В дисперсионно-твердеющих сталях, изнашиваемых при температу-рах 500…850°С, содержание хрома рекомендуется 18…25 % при соотно-шении аустенит – феррит – 30/70; 50/50; 70/30 %.

Потери массы металла при высокотемпературном (до 1300°С) изна-шивании минимальны при содержании 35 % хрома и 0,5…2,5 % углерода. Структура такого сплава состоит из легированного хромистого феррита и комплексных карбидов типа М₂₃С_б и М₇С_з [23]. При изнашивании деталей в условиях высоких температур необходимо учитывать влияние дополни-тельно действующих факторов (окисление, насыщение продуктами корро-зии и т.д.). Исследование комбинированного абразивно-коррозионного изнашивания хромсодержащих сталей [24] показали, что при низкой час-тоте воздействия абразивных частиц повышенную стойкость имеют стали с пониженным содержанием хрома(до 14 %), а при высокой частоте – вы-сокохромистые (до 30 %).

Кремний применяют для износостойких сплавов в широком интерва-ле концентраций 0,4…15,0 %. Являясь элементом, который одновременно повышает прочность, твердость и улучшает защитные функции при окис-лении металла, кремний ограниченно растворяется в - и -железе, ак-тивно сужает область аустенита. При концентрациях более 3 % кремния наблюдается тенденция к выделению интерметаллидных соединений, ко-торые из-за высокой хрупкости ограничивают применение материалов в промышленности и могут использоваться только в специальных сплавах (ферросилиды, силалы, сендасты).

Кремний образует неустойчивые карбиды и, как правило, концентрируется в твердом растворе, позволяет при легировании в пределах 0,8…2,5 % решать проблемы прочности и износостойкости [24].

Работ о влиянии кремния на износостойкость выполнено относитель-но немного, особенно при высоких температурах. В жаростойких, жароп-рочных, износостойких сплавах с комплексами дисперсных карбидов концентрация кремния составляет 1,0…3,0 %. Обогащение кремнием околокарбидных зон затрудняет диффузию углерода, что препятствует коагуляции карбидов, обеспечивающих сопротивление изнашиванию.

Известна способность кремния усиливать склонность сталей к тепло­вой хрупкости [18], в связи с чем его содержание ограничивается до 2,7 %. Кремний усиливает перераспределение карбидной фазы при длительных высокотемпературных выдержках, где сосредоточение карбидов вблизи межзеренных границ приводит к потерям сплавами структурной стабиль-ности. В связи с этим вопрос оптимального содержания кремния при сов-местном легировании с углеродом и хромом требует уточнения.

Содержание никеля в большинстве износостойких сплавов по ГОСТ и ДЕСТ в пределах 0,8…25,0 %. Увеличение содержания никеля ста­билизирует аустенит в сплавах, которые при высокой прочности и плас-тичности после соответствующей термической обработки, обеспечиваю-щей дисперсионное твердение, могут рекомендоваться для условий абра-зивного изнашивания при температурах 550…850°С. При температурах более 850°С износостойкость сплавов снижается, что связано с процессами обратного растворения дисперсных образований (карбидов, интермета-ллидов) и переходом их в твердый раствор аустенита.

Таким образом, при разработке высокотемпературных абразивостой-ких сплавов применение никеля весьма перспективно при оптимизации состава многокомпонентной системы Fe-C-Cr-Si-Ni.

Одним из эффективных путей улучшения свойств разрабатываемых сплавов является введение малых добавок отдельных элементов и соедине­ний, то есть модифицирование. Изменение размеров зерна, повышение однородности структуры, увеличение твердости и прочности сплавов с ис-пользованием модификаторов позволяет улучшать параметры износостой-кости при высоких температурах.

Соединения титана представляют собой твердый раствор карбидов и нитридов друг в друге и действуют как инокулирующий модификатор. По-лучаемые соединения в комплексе с карбидами эвтектического типа хоро-шо сопротивляются воздействию абразивной среды в условиях высокотем-пературной коррозии.

Титан, в пределах 0,01…0,35 %, в белых чугунах способствует повы-шению абразивной износостойкости в 1,5…2,0 раза. Максимальные значе-ния отмечены при содержании 0,25 % титана. Твердость получаемых сое-динений карбонитридов составляет 2900…3200 МПа [22].

Для условий малонагруженного абразивно-коррозионного изнашива-ния при действии высоких температур 900...1100^оС целесообразно приме-нение износожаростойких сплавов со стабильными и стойкими структура-ми. Высокий уровень свойств износокоррозионной стойкости сплавов для деталей оборудования спекания материалов обеспечивается за счет рацио-

нальных вариантов легирования(С, Cr, Sі, Nі) и модифицирования (Al, Tі,

ЩЗМ, РЗМ) [3].

Дата добавления: 2015-10-28