Коррозионностойкие пассивирующиеси металлы.

Несмотря на большой отрицательный обратимый электродный потенциал металла вследствие большой анодной поляризации в коррозионном элементе устанавливается небольшой коррозионный ток, и металл разрушается с очень малой скоростью [см. формулу (14.6)]. Пассивное состояние связывают с образованием на поверхности защитных пленок.

Способностью переходить в пассивное состояние обладают многие технические металлы. Для большинства металлов пассивность наступает в окислительных (кислородосодержащих) средах и даже самопроизвольно на воздухе.

Наибольшей склонностью к самопассивированию на воздухе обладают титан, алюминий и хром. Пассивное состояние в них сохраняется во многих средах, но исчезает в средах, содержащих мало кислорода и много ионов хлора (влажная плохо аэрируемая почва, морская вода, неокисляющие кислоты).

Титан в пассивированном состоянии по своей коррозионной стойкости уступает только золоту и платине. В отличие от остальных металлов он сохраняет пассивность во влажной атмосфере даже при нагреве, в неокислительных, окислительных и органических кислотах, в морской воде, а также в горячих щелочах. Титан обладает коррозионной стойкостью в морской воде в условиях, вызывающих даже у медных сплавов кавитационную коррозию. Титановые сплавы (см. п. 13.1) сохраняют высокую коррозионную стойкость титана.

Высокая коррозионная стойкость алюминия во влажной атмосфере, окислительных и органических кислотах связана с переходом в пассивное состояние. Однако в щелочах он корродирует с большой скоростью, а в морской воде, Кроме этого, подвержен коррозионному растрескиванию.

Все примеси и легирующие элементы алюминиевых сплавов уменьшают поляризуемость и, тем самым, ухудшают коррозионную стойкость. Наиболее опасны, так как устраняют пассивность, электроположительные металлы. Присутствие железа и меди в десятых долях процента заметно ухудшает коррозионную стойкость алюминия. Сплавы (см. п. 12.1), содержащие до 5% - дюралюминий, высокопрочный сплав с цинком-В95 и сложные силумины жаропрочные сплавы по коррозионной стойкости значительно уступают чистому алюминию.

Электроотрицательные элементы

Рис. 14.4. Влияние химического состава сплавов на скорость коррозии в воде

Mn, Mg не устраняют пассивность, поэтому простые силумины, не содержащие медь, сохраняют коррозионную стойкость во влажной атмосфере. Марганец оказывает даже положительное влияние, так как, образуя фазу удаляет железо из решетки алюминия и, тем самым, устраняет его вредное действие. Коррозионная стойкость сплава по этой причине даже выше коррозионной стойкости технически чистого Магний образует с алюминием анодную фазу которая на поверхности сплава быстро растворяется, и поверхность становится однофазной. Это объясняет высокую коррозионную стойкость сплавов которая лишь немного уступает стойкости чистого алюминия.

Алюминий и его сплавы чувствительны к контактной коррозии. При контакте с более электроположительными металлами алюминий является анодом и разрушается. Для защиты алюминия стальные детали (болты) покрывают кадмием или цинком. Кадмий имеет такой же потенциал, как пассивированный алюминий, потенциал цинка более отрицателен. Алюминиевые сплавы, легированные медью, подвержены межкристаллитной коррозии. Для защиты от такой коррозии сплавы дополнительно легируют магнием, а листовые полуфабрикаты плакируют чистым алюминием.

Металлы, склонные к пассивированию, используют как легирующие элементы в сплавах. При определенном их содержании сплав приобретает склонность к пассивированию. Примером этому являются хромистые, хромоникелевые и хромомарганцевые коррозионно-стойкие стали.

При объемном и поверхностном легировании хромом железо, а также сталь становятся пассивными; коррозионный ток и скорость коррозии резко снижаются (рис. 14.4). При содержании свыше низкоуглеродистые стали приобретают однофазную ферритную структуру. Это увеличивает коррозионную стойкость стали, но исключает возможность ее упрочнения термической обработкой.

Дополнительное легирование никелем или марганцем таких высокохромистых сталей позволяет получать в результате термической обработки однофазную аустенитную структуру высокой коррозионной стойкости, с повышенной прочностью и хорошей технологичностью. Кроме этого, хромистые и хромоникелевые стали обладают высокой коррозионной выносливостью (см. табл. 14.1), поэтому используются для циклически нагруженных деталей машин и приборов, работающих в коррозионной среде.

Хромистые стали коррозионно-стойки при температуре не выше 30 °С во влажной атмосфере воздуха, водопроводной и речной воде, в азотной (рис. 14.5) и многих органических кислотах.

Рис. 14.5. Влияние содержания хрома на скорость коррозии сталей в 5 %-ных водных растворах кислот

ТАБЛИЦА 14.2. (см. скан) Свойства хромвстых коррозионно-стойких сталей

В морской воде они подвержены коррозионному растрескиванию.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода (табл. 14.2). Все хромистые стали, в которых хрома более 12,5 %, коррозионно-стойкие. При содержании хрома 13,17 и 25% стали являются не только коррозионно-стойкими, но и жаростойкими. Стали, содержащие при нагреве и охлаждении претерпевают фазовое превращение и поэтому могут упрочняться при помощи термической обработки, не теряя коррозионной стойкости. Прочность после закалки и отпуска, как видно из табл. 14.2, тем больше, чем больше в стали углерода. При отпуске обеднение твердого раствора хромом небольшое, поэтому коррозионная стойкость остается высокой.

Стали 12X13 и 20X13 хорошо свариваются, в отожженном состоянии пластичны, имеют повышенную ударную вязкость и могут подвергаться холодной обработке давлением. Стали 30X13 и 40X13 менее пластичны, подвергаются только горячей обработке давлением. При сварке эти стали могут давать трещины.

Сталь 12X13 используют в изделиях, изготовляемых штамповкой и сваркой: лопатки гидравлических турбин, емкости, арматура. Стали 20X13 и 30X13 применяются после термического улучшения для деталей машин и приборов (шестерни, валы, пружины), работающих при больших циклических нагрузках в коррозионной среде. Заэвтектоидная сталь 40X13 по своим свойствам соответствует инструментальным сталям. Она пригодна для изготовления хирургического и бытового режущего инструмента, а также шарикоподшипников, работающих в коррозионных средах.

Xромоникелевые коррозионно-стойкие стали аустенитного класса используют в тех же средах, что хромистые стали, но и при нагреве. В малоподвижной морской воде эти стали подвержены точечной коррозии, которую устраняет

Рис. 14.6. Диаграмма состояния хромоникелевых сталей

ТАБЛИЦА 14.3. (см. скан) Свойства закаленных коррозионно-стойких сталей аустенитного класса

дополнительное легирование молибденом (табл. 14.3). В водяном паре при больших давлениях и повышенных температурах хромоникелевые стали подвержены коррозионному растрескиванию.

Большим достоинством хромоникелевых сталей аустенитного класса является хорошая технологичность в отношении обработки давлением и сварки, что определило возможность использования их как конструкционного материала.

Структура хромоникелевых сталей зависит от содержания углерода, хрома и никеля (рис. 14.6). Сталь с содержанием углерода в результате медленного охлаждения приобретает многофазную структуру аустенита с небольшим количеством феррита и карбидов Такая многофазная структура не обеспечивает хорошей коррозионной стойкости и пластичности. И то и другое можно получить закалкой стали из однофазной аустенитной области. Быстрое охлаждение в воде фиксирует структуру, которая была при нагреве, так как полиморфное превращение не успевает пройти, а избыточные фазы выделиться.

Однофазное закаленное состояние, при котором весь хром находится в твердом растворе, обеспечивает стали максимальную коррозионную стойкость в окислительных средах. Такая структура придает сталям наилучшую пластичность , что позволяет подвергать их холодной пластической деформации, в процессе которой они хорошо наклепываются и упрочняются, несколько теряя при этом в коррозионной стойкости (рис. 14.7).

При нагреве закаленной стали аустенит, согласно приведенной диаграмме на рис. 14.6, распадается с выделением по границам мелкодисперсных карбидов хрома, в результате чего границы обедняются хромом. При сплошном обеднении границы становятся анодами. Коррозионное разрушение приобретает

Рис. 14.7. Влияние пластической деформации на механические свойства стали

опасный межкристаллитный характер. Склонность к межкристаллитной коррозии в аустенитных сталях появляется после нагрева при определенных температурах и выдержках в процессе обработки или в условиях эксплуатации.

Все способы борьбы с появлением склонности к межкристаллитной коррозии направлены на предотвращение выделений хрома из аустенита. С этой целью уменьшают содержание углерода в стали либо вводят более сильный карбидообразующий элемент, который связывает весь углерод в карбид, а хром остается в твердом растворе. К таким элементам относятся титан, содержание которого должно более чем в 5 раз превышать содержание углерода, а также ниобий.

Стали вследствие малого содержания углерода или дополнительного легирования титаном не склонны к межкристаллитной коррозии. Такие стали называют стабилизированными.

Сталь склонна к межкристаллитной коррозии, поэтому после закалки ее нельзя нагревать выше 400 °С, в частности, нельзя сваривать. Эти стали поставляют в закаленном, а также наклепанном состоянии с

Более дешевыми являются коррозионно-стойкие аустенитные стали, в которых дефицитный никель частично или полностью заменен марганцем и азотом (см. табл. 14.3). В результате закалки они приобретают однофазную аустенитную структуру и не уступают по коррозионной стойкости хромоникелевым сталям. Стали, не содержащие титан, склонны к межкристаллитной коррозии.

Аустенитные хромоникелевые и хромомарганцевые стали широко используют в конструкциях, изготовляемых из листовой стали штамповкой и сваркой (вакуумные камеры, оболочки, емкости, трубопроводы и т. п.), в самолето-, машино-, приборо- и судостроении, химической промышленности и др.