14. КОРРОЗИОННО-СТОЙКИЕ И ЖАРОСТОЙКИЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

Коррозионная стойкость стали. Коррозией называют разрушение металлов под действием окружающей среды. При этом часто металлы покрываются продуктами коррозии (ржавеют). В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверхности.

Различают химическую коррозию, протекающую при воздействии на металл газов (газовая коррозия) и неэлектролитов (нефть и ее производные), и электрохимическую коррозию, вызываемую действием электролитов: кислот, щелочей и солей. К электрохимической коррозии относятся также атмосферная и почвенная коррозия.

Механизм электрохимической коррозии сводится к следующему. Если в электролит (влажный воздух, водные растворы кислот, солей, щелочей и т. д.) поместить два соприкасающихся различных металла, образуется гальванический элемент, при этом металл, который легче, отдает электроны, служит анодом, а другой — катодом. В процессе работы гальванического элемента анод разрушается.

Микрогальванические элементы возникают также между различными фазами сплавов и даже в чистых металлах, где роль анодов играют границы зерен и другие дефектные участки, а роль катода — тело зерна. Чем больше отдельные фазы (участки) металла отличаются своими электрохимическими потенциалами, тем быстрее происходит коррозионное разрушение.

Существует несколько видов электрохимической коррозии. Если металл однороден (например, однородный твердый раствор), то наблюдается равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности металла. В неоднородном металле, что является наиболее частым случаем, коррозия носит локальный характер и охватывает только некоторые участки поверхности. Эту местную, или локальную, коррозию в свою очередь подразделяют на точечную, пятнистую и с язвами. Очаги пятнистой и точечной коррозии являются концентраторами напряжений. Наиболее опасна так называемая интеркристаллитная коррозия, распространяющаяся по границам зерен вследствие более низкого их электрохимического потенциала. Коррозия без заметных внешних признаков быстро развивается по границам зерен, вглубь, резко снижая при этом механические свойства. Сталь, пораженная интеркристаллитной коррозией,

теряет металлический звук и при изгибе дает надрывы по границам зерен в местах коррозионного разрушения металла. Кроме того, различают коррозию под напряжением, которая возникает при одновременном действии коррозионной среды и напряжений растяжения. Разновидностью этой коррозии является коррозионное растрескивание, т. е. образование в металле тонкой сетки трещин, проходящих по объему зерна при воздействии коррозионной среды и напряжений.

Сталь, устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах (свыше 550 °С), называют окалиностойкой (жаростойкой). Стали, устойчивые к электрохимической, химической (атмосферной, почвенной, щелочной, кислотной, солевой), межкристаллитной и другим видам коррозии, называют коррозионно-стойкими (нержавеющими). Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повышающих электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах.

Жаростойкие стали и сплавы. Повышение окалиностойкости достигается введением в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т. е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов Введение в сталь повышает окалиностойкость до 700-750 °С; увеличение содержания до 15-17 % делает сталь окалиностойкой до 950-1000 °С, а при введении сталь остается окалиностойкой до Легирование сталей с алюминием в количестве повышает окалиностойкость до Окалиностойкость зависит от состава стали, а не от ее структуры. В связи с этим окалиностойкость (жаростойкость) ферритных и аустенитных сталей при равном, количестве хрома практически одинакова.

Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные ( и др.) и аустенитные стали, обладающие жаропрочностью (см. с. 300).

Коррозионно-стойкие стали. Составы сталей, устойчивых к электрохимической коррозии, устанавливают в зависимости от среды, для которой они предназначаются. Эти стали можно разделить на два основных класса: хромистые, имеющие после охлаждения на воздухе ферритную, мартенситно-ферритную (феррита более 10 %) или мартенситную структуру, и хромоникелевые, имеющие аустенитную, аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную (феррита более 10 %) структуру (ГОСТ 5632-72).

Стали ферритного, мартенеитного и мартенситно-ферритного классов. При введении в сталь ее электрохимический потенциал становится положительным и она приобретает

(кликните для просмотра скана)

Рис. 163. Структурная диаграмма системы и составы коррозионно-стойких сталей (заштрихованные участки): 1 — ферритние; 2 — полуферритние; 3 — ледебуритные; 4 — эаэвтектондкые; 5 - доэвтектондные

устойчивость против коррозии В атмосфере, морской, (пресной) воде, ряде слабых растворов кислот, солей и щелочей. Более широко применяют хромистые стали содержащие и низкоуглеродистые стали с (табл. 10).

Структурная диаграмма системы (равновесное состояние) и составы хромистых коррозионно-стойких сталей разных марок приведены на рис. 163. Сталь в равновесном состоянии относится к полуферритным, а после закалки в масле или на воздухе с высоких температур имеет структуру мартенсит и феррит (ферритно-мартенситная сталь). Стали и в равновесном состоянии доэвтектоидные, а сталь — заэвтектоидная. Они испытывают полное -превращение. После охлаждения на воздухе стали имеют структуру мартенсит, т. е. относятся к мартенситному классу.

Стали обладают лучшей стойкостью против коррозии только при условии, что все содержание хрома в стали приходится на долю твердого раствора. В этом случае он образует на поверхности плотную защитную оксидную пленку типа Повышение содержания углерода, приводящее к образованию карбидов, создает двухфазную структуру, уменьшает количество хрома в твердом растворе и поэтому понижает коррозионную стойкость стали и увеличивает хрупкость.

Коррозионная стойкость стали повышается термической обработкой: закалкой и высоким отпуском и созданием шлифованной и полированной поверхности.

Стали применяют для изготовления деталей с повышенной пластичностью, подвергающихся ударным нагрузкам (клапанов гидравлических прессов, предметов домашнего обихода), а также изделий, испытывающих действие слабоагрессивных сред (атмосферных осадков, водных растворов солей органических кислот и т. д.). Их подвергают закалке в масле от и высокому отпуску при после которого карбиды присутствуют в виде более крупных частиц. Применение

более низкого отпуска, создающего мелкие карбидные частицы, усиливает коррозию.

Стали используют для карбюраторных игл, пружин, хирургических инструментов и т. д. Эти стали закаливают от в масле и отпускают при 180-200 °С. После такого отпуска они сохраняют мартенситную структуру, высокую твердость и достаточную устойчивость против коррозии. Более высокой коррозионной стойкостью обладают низкоуглеродистые высокохромистые стали ферритного класса: и (см. рис. 163). Сталь применяют после рекристаллизационного отжига при Из этой стали изготовляют оборудование для заводов пищевой и легкой промышленности и кухонную утварь. Сварку этой стали следует избегать, так как зоны, прилегающие к сварному имеют крупное зерно, низкую пластичность и относительно невысокую коррозионную стойкость.

Стали используют чаще без термической обработки для изготовления сварных деталей, работающих в более агрессивных средах и не подвергающихся действию ударных нагрузок, при температуре эксплуатации не ниже Эти стали обладают крупнозернистостью в литом виде и склонны к сильному росту зерна при нагреве свыше (например, при сварке), что сопровождается охрупчиванием стали. Измельчить зерно и повысить пластичность термической обработки нельзя, так как стали не претерпевают -превращений; сварные конструкции из стали склонны к межкристаллитной коррозии. Углерод и азот способствуют охрупчиванию стали (повышают порог хладноломкости) и являются причиной межкристаллитной коррозии.

Этот вид коррозии связан с обеднением твердого раствора хромом в местах, прилегающих к границам зерна, в результате образования карбидов хрома. Для повышения сопротивления межкристаллитной коррозии и измельчения зерна сталь легируют титаном в количестве не менее пятикратного содержания углерода Титан связывает углерод и исключает возможность образования карбидов хрома, а следовательно, обеднение хромом феррита. Ферритные стали, содержащие охрупчиваются при длительном нагреве до вследствие образования выделений а-фазы (см. рис. 92, б).

В последние годы для сварных конструкций, где сталь должна обладать высокой стойкостью против коррозии под напряжением, применяют суперферриты — ферритные стали с очень низким содержанием углерода В СССР выпускается суперферрит — сталь

Стали аустенитного класса (см. табл. 10). Эти стали, обычно легированные хромом и никелем (или марганцем), после охлаждения до нормальной температуры имеют аустенитную структуру, низкий предел текучести, умеренную прочность, высокую

Рис. 164. Псевдобинарная диаграмма состояния для разреза

пластичность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах. Стали парамагнитны.

Представителями коррозионно-стойких сталей аустенитного класса являются стали (см. табл. 10), содержащие соответственно 0,12 и 0,17% После медленного охлаждения стали имеют структуру: аустенит (7), феррит (а) и карбиды хрома Для получения чисто аустенитной структуры, обладающей высокой коррозионной стойкостью, стали нагревают выше линии (рис. 164), чаще до 1100— 1150 °С (для растворения карбидов), и закаливают в воде (на воздухе). Сталь обычно применяют в виде холоднокатаного листа или ленты. В процессе холодной пластической деформации сталь легко наклепывается. Временное сопротивление после холодной деформации может быть повышено до 1200— 1300 МПа, при этом относительное удлинение снижается до Упрочнение в процессе холодной деформации связано с наклепом и протеканием мартенеитного превращения. Чем менее стабилен аустенит, тем интенсивнее при холодной деформации происходит превращение аустенита в мартенсит (мартенсит деформации).

Стали хорошо свариваются точечной сваркой и штампуются. При нагреве закаленных до сталей, например при сварке, они охрупчиваются и приобретают склонность к межкристаллитной коррозии. Это связано с тем, что в пограничных зонах выделяются карбиды хрома и происходит обеднение этих зон аустенита хромом ниже того предела (т. е. 12 %), который обеспечивает коррозионную стойкость. Для уменьшения склонности к интеркристаллитной коррозии в состав сталей вводят титан (реже ниобий) в количестве где С — содержание углерода в стали, . В этом случае образуется карбид связывающий весь углерод, а хром остается в растворе. Для повышения стабильности аустенита количество никеля в этих сталях увеличивают до 10—12%. Сталь получила наибольшее распространение для работы в окислительных средах (например, азотной кислоте).

Высокое сопротивление межкристаллитной коррозии, хорошую пластичность и свариваемость имеют низкоуглеродистые

аустенитные стали Стали с пониженным содержанием углерода устойчивы в азотной кислоте и других агрессивных средах и широко используются для изготовления химической аппаратуры.

Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали дороги. В связи с этим в некоторых случаях применяют более дешевые стали, в которых часть никеля заменена марганцем. Экономнолегированная (по никелю) сталь рекомендована как заменитель стали для изделий, работающих в слабоагрессивных средах (органических кислотах, солях, щелочах), а также при температуре до

Некоторое применение находят хромомарганцевоникелевые стали с азотом который стабилизирует аустенит и может частично заменить никель. К числу этих сталей относятся стали. (см. табл. 10), Устойчивость сталей против коррозии в органических кислотах, серной кислоте и морской воде повышает молибден. Для этой цели применяют стали (см. табл. 10), которые сочетают высокую коррозионную стойкость с хорошей технологичностью, начиная от выплавки стали и кончая изготовлением сварных конструкций и аппаратов.

Стали аустенитно-ферритного класса содержат и некоторое количество . Аустенитно-ферритные стали по сравнению с аустенитными обладают более высокой прочностью (см. табл. 10) при удовлетворительной пластичности и лучшей сопротивляемостью интеркристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию. При нагреве до стали охрупчиваются.

Стали аустенитно-мартенситного класса. Особую группу представляют аустенитно-мартенситные коррозионно-стойкие стали, например сталь Эти стали наряду с хорошей устойчивостью против атмосферной коррозии обладают высокими механическими свойствами, и хорошо свариваются. Сталь для повышения механических свойств подвергают закалке от 975 °С, после которой структура стали — неустойчивый аустенит и небольшое количество мартенсита. В этом состоянии сталь обладает достаточно высокой пластичностью и может быть подвергнута пластической деформации и обработке резанием. После закалки сталь обрабатывают холодом в интервале температур от —50 до для перевода большей части аустенита в мартенсит и подвергают отпуску (старению) при 450-500 °С. При старении из -твердого раствора (мартенсита) выделяются дисперсные частицы интерметаллидов типа Механические свойства стали после такой обработки приведены в табл. 10.

Механические свойства указанной стали зависят от количества образовавшегося мартенсита, которое можно регулировать температурой закалки и обработкой холодом. Если количество

Таблица 11 (см. скан) Химический состав (по легирующим элементам) и механические свойства коррозионно-стойких сплавов на железоникелевой и никелевой основах

мартенсита превышает то пластичность стали заметно падает, но прочность возрастает. Большое упрочнение стали может быть достигнуто нагартовкой предварительно закаленной на аустенит стали путем прокатки или волочения. После такой обработки большая часть аустенита превращается в мартенсит деформации. Дальнейшее упрочнение стали достигается старением при 450—480 °С.

Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Аустенитные (аустенитно-ферритные) стали не обеспечивают достаточно высокой коррозионной стойкости в таких средах, как серная и соляная кислоты. В этих случаях используют сплавы на железоникелевой основе, например сплав (табл. 11), имеющий после закалки от 1050—1100°С и старения при структуру аустенит и интерметаллидную у-фазу типа Сплав предназначен для работы при больших нагрузках в растворах серной кислоты.

Для изготовления сварной аппаратуры, работающей в солянокислых средах, растворах серной и фосфорной кислот, применяется никелевый сплав Сплавы на основе имеют высокое сопротивление коррозии в растворах азотной кислоты.

Наибольшее распространение получил сплав для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, солянокислых и сернокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах.

Никелевые сплавы используются после закалки от

Структура сплавов — а- или -твердый раствор на основе никеля и избыточные карбиды типа

Двухслойные стали. Для деталей химической аппаратуры (корпусов аппаратов, днищ, фланцев, патрубков и др.), работающих в коррозионной среде, нашли применение двухслойные стали.

Двухслойные листовые стали состоят из основного слоя — низколегированной или углеродистой стали и коррозионно-стойкого плакирующего слоя толщиной 1—6 мм из коррозионно-стойких сталей или никелевых сплавов