Коррозионно-стойкие стали и сплавы

Содержание. 

1. Введение………………………………………………………….……………3
2. Коррозионно-стойкие стали и сплавы…………………………………….…3
1. Хромистые нержавеющие стали………………………………………....4
2. Хромоникелевые нержавеющие стали…………………………………..5
3. Жаростойкие стали………………………………………………………..7
3. Влияние внешних факторов на скорость электрохимической коррозии…8

     Введение 

     Процесс самопроизвольного разрушения металлов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Такое разрушение происходит под влиянием кислорода воздуха, влаги, оксидов серы, азота и других химически активных веществ. В солёной воде металлы разрушаются намного быстрее, чем в пресной. Самое известное проявление коррозии – ржавчина на поверхности стальных и чугунных изделий. Потери от коррозии исчисляются миллиардами гривен ежегодно. Ей подвержены не только металлы, их сплавы, но и строительные материалы, в частности бетон. Больше всего страдают от коррозии сплавы на основе железа(Fe) – главные материалы современной техники. «Ржа ест железо» - поговорка старая, но точная. Около 10%  добытого металла теряется безвозвратно. Ржавчина (её состав Fe2O3 * nH2O) не прочна и рыхла. За коррозией следует эрозия-разрушение металлических изделий в результате механических воздействий, после чего металл уже не пригоден. Всё же 2/3 металлолома возвращаются в производство после переплавки в мартеновских печах и конвертерах. Вот почему необходимо собирать металлолом.

Коррозия  стали  и  цветных  металлов принципиально  отличается от коррозионных процессов  в неметаллических  строительных  материалах. Большинство   так   называемых   драгоценных  металлов,  особенно   сталь,   в   большей   степени  подвержены коррозии, чем неметаллические материалы. Наибольшие   потери  наблюдаются     для     обычных   сталей.  Загрязнение,  воздуха, особенно  вблизи  химических  заводов,  приводит  к  значительному ускорению  процессов коррозии. В  результате   коррозии  происходят   необратимые  изменения -  уменьшение   площади  сечения   и  снижение прочности,  а  также часто  изменение внешнего  вида поверхности металла.       

1. Коррозионно-стойкие стали и сплавы. 

   Разрушение металлов и сплавов  в результате химического или  электрохимического воздействия  на их поверхность внешней  агрессивной среды называется  коррозией.

 Коррозионное  разрушение является следствием  взаимодействия металла с внешней  средой и интенсивность его  развития зависит от свойств  самого металла, а также от  природы окружающей среды. Большинство  металлов,  будучи стойкими в  одних средах, довольно легко  разрушаются при взаимодействии  с другими средами. Стали, устойчивые  против электромеханической коррозии, называются коррозионно-стойкими (нержавеющими). Устойчивость стали против коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности плотные, прочно связанные с основой защитные пленки, препятствующие непосредственному контакту стали с агрессивной средой, а также повышающие ее электрохимический потенциал в данной среде.

    Отличительной особенностью коррозионно-стойких сталей и сплавов является их повышенная стойкость против равномерной коррозии в широкой гамме коррозионно-активных сред различной степени агрессивности. Наряду с этим многие из них стойки против локальных видов коррозии (межкристаллитной, питтинговой, щелевой, коррозионного растрескивания) и имеют высокий уровень физико-механических свойств.                                                             По химическому составу нержавеющие стали делятся на:

    * Хромистые, которые, в свою  очередь, по структуре делятся  на;

• Мартенситные;
• Полуферритные;
• Ферритные;

    * Хромоникелевые;

• Аустенитные;
• Аустенитно-ферритные
• Аустенитно-мартенситные
• Аустенитно-карбидные

     * Хромомарганцевоникелевые (классификация  совпадает с хромоникелевыми  нержавеющими сталями). 
 

1.1  Хромистые нержавеющие стали. 

  Хром - основной легирующий элемент,  делающий сталь коррозионно-стойкой  в окислительных средах. Коррозионная  стойкость хромистых нержавеющих  сталей объясняется образованием  на поверхности защитной плотной  пассивной плёнки окисла Cr2O3. Такая  плёнка образуется только при  содержании хрома более 12,5%. Чем  больше содержание хрома, тем  выше коррозионная стойкость  хромистых сталей. Так, введение  более 12-14% Cr резко повышает электрохимический  потенциал стали с отрицательного  на положительный и делает  ее коррозийностойкой в атмосфере  и во многих других промышленных  средах.                                                       В настоящее время хромистые  стали выплавляют 3-х типов:

1) содержащие 13% Cr;

2) 17% Cr;

3) 25-28% Cr.

    Все хромистые стали подвергаются  закалке с 1000-1100 С в масле  с последующим отпуском (для сталей  ферритного класса- при 700-750 С,  мартенситного класса 200-250 С). Стали  ферритного класса при нагреве  не испытывают превращений, поэтому  термическую обработку проводят  для получения структуры более  однородного твёрдого раствора, что увеличивает коррозионную  стойкость.

  Высокохромистые  стали  ферритного класса ( 12Х17, 15Х25Т, 15Х28) используют часто как  окалиностойкие.

   Мартенситные и мартенситно-ферритные  стали обладают хорошей коррозионной  стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах (в  слабых растворах солей, кислот) и имеют высокие механические  свойства. В основном их используют  для изделий, работающих на  износ, в качестве режущего  инструмента, в частности ножей,  для упругих элементов и конструкций  в пищевой и химической промышленности, находящихся в контакте со  слабоагрессивными средами. К  этому виду относятся, стали  типа 30Х13, 40Х13 и т. д.

   Ферритные стали применяют для  изготовления изделий, работающих  в окислительных средах (например, в растворах азотной кислоты), для бытовых приборов, в пищевой,  легкой промышленности и для  теплообменного оборудования в  энергомашиностроении. Ферритные хромистые  стали имеют высокую коррозионную  стойкость в азотной кислоте,  водных растворах аммиака, в  аммиачной селитре, смеси азотной,  фосфорной и фтористоводородной  кислот, а также в других агрессивных  средах. К этому виду относятся,  стали 400 серии. 

1.2 Хромоникелевые нержавеющие стали. 

   Никель относится к числу металлов, легко приобретающих пассивность,  хотя его пассивирующая способность  меньше хрома и молибдена. Добавление  никеля к железу в количестве 1/8 моля скачкообразно улучшает  коррозионную стойкость сплава  в серной кислоте. При концентрации  никеля 2/8 моля коррозионная стойкость  повышается ещё больше. Никель  – аустенитообразующий элемент.                                                                                        Различают аустенитные нержавеющие стали, склонные к межкристаллитной коррозии, и стабилизированные — с добавками Ti и Nb. Значительное уменьшение склонности нержавеющей стали к межкристаллитной коррозии достигается снижением содержания углерода (до 0,03 %).

    Нержавеющие стали, склонные к  межкристаллитной коррозии, после  сварки, как правило, подвергаются  термической обработке.

Нержавеющие стали, имеющие аустенитную структуру, обладают более высокой коррозионной стойкостью, лучшими технологическими свойствами по сравнению с хромистыми нержавеющими сталями, в частности  лучше свариваются. Они сохраняют  прочность до более высоких температур, менее склонны к росту зерна  при нагреве и в то же время  аустенитные стали не теряют пластичности при низких температурах. Как и  хромистые, хромоникелевые стали коррозионностойки  в окислительных средах. Основным элементом, повышающим потенциал железа, также является хром, поэтому его  содержание должно быть >13%. Никель только дополнительно повышает коррозионную стойкость сталей. Большинство хромоникелевых нержавеющих сталей относятся к  аустенитному классу: 04Х18Н10, 12Х18Н9Т, 09Х14Н16Б, 08Х10Н20Т2 и др. Эти стали пластичны, хорошо свариваются, обладают повышенной жаропрочностью, коррозионностойки во многих средах, имеющих среднюю активность. Дополнительное легирование хромоникелевых сталей молибденом и медью повышает их коррозионную стойкость и кислотостойкость. Иногда в эти стали вводят в небольших количествах титан и алюминий, которые, упрочняют аустенит.         Никель - достаточно дорогой и дефицитный металл, поэтому создают нержавеющие стали с меньшим содержанием никеля, для этого вводят в состав нержавеющих сталей другие аустенитообразующие элементы, например, марганец или азот (стали 10Х14Г14Н4Т, 10Х14АГ15 и др.) Наибольшую коррозионную стойкость имеют хромистые нержавеющие стали мартенситного типа с полированной поверхностью. Аустеннитно-ферритные стали предложены как заменители хромоникелевых сталей типа Х18Н8 с целью экономии никеля. Эти стали не обладают стабильностью свойств: их свойства зависят от соотношения ферритной и аустенитной фаз, которое, в свою очередь, зависит от суммарного влияния ферритообразующих и аустенитообразующих элементов. Основным преимуществом сталей аустенитного класса являются их высокие служебные характеристики (прочность, пластичность, коррозионная стойкость в большинстве рабочих сред) и хорошая технологичность.

  Преимущество  сталей этой группы — повышенный  предел текучести по сравнению  с аустенитными однофазными сталями,  отсутствие склонности к росту  зёрен при сохранении двухфазной  структуры, меньшее содержание  остродефицитного никеля и хорошая  свариваемость. Аустенито-ферритные  стали находят широкое применение  в различных отраслях современной  техники, в различных отраслях  машиностроения, особенно в химическом  машиностроении, судостроении, авиации.  К этому виду относятся, стали  типа 08Х22Н6Т, 08Х21Н6М2Т, 08Х18Г8Н2Т.   Потребности  новых отраслей современной техники  в коррозионностойких сталях  повышенной прочности и технологичности  привели к разработке сталей  аустенито - мартенситного (переходного)  класса. Это стали типа 07Х16Н6, 09Х15Н9Ю, 08Х17Н5М3.

1.3 Жаростойкие стали. 

      Жаростойкость (окалиностойкость)- способность металлов и сплавов сопротивляться газовой коррозии при высоких температурах в течение длительного времени. К жаростойким относятся стали, работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии при температурах выше 550 С.  В основном за жаростойкость отвечают поверхность металла и чистота её обработки. Полированные поверхности окисляются медленнее, т.к. оксиды распределены равномерно и более прочно сцеплены с поверхностью металла. Формирующаяся на поверхности оксидная плёнка достаточно хорошо защищает металл от дальнейшего окисления в том случае, если она плотная и не пропускает ионы кислорода, хорошо сцеплена с подложкой и не отслаивается при механических испытаниях.  

    Для повышения окалиностойкости  сталь легируют элементами (хромом, алюминием, кремнием), имеющими большее  сродство к кислороду, чем железо, и образующими по поверхности  стали плотные оксидные плёнки  типа (Cr,Fe)2O3, (Al,Fe)2O3 и др.

Стали, легированные Cr и Si, называют сильхромами; Cr и Al- хромалями, Cr-Al-Si- сильхромалями. Среди сильхромов широкое применение получили жаростойкие (с температурой окалинообразования 850 С) и одновременно жаропрочные (до 600 С) стали мартенситного  класса 40Х9С2 и 40Х10С2М.

Сильхромы применяют для изготовления клапанов двигателей внутреннего сгорания и  деталей печного отопления. Сталь 10х13СЮ(сильхромаль) окалиностойка до 950 С; она устойчива в серосодержащих средах. Однако высокое содержание алюминия и кремния вызывает их охрупчивание, в связи с чем эти элементы добавляют в небольших количествах.

Ферритная сталь 08Х17Т жаростойка до 900 С и  применяется в теплообменниках.

Аустенитные стали 12Х18Н9Т и 36Х18Н25С2 обладают высокой  технологичностью и достаточной  прочностью при повышенных температурах. Они жаростойки соответственно до 800 и 1100 С.         В  зависимости от того, какова прочность  сталей при различных температурах, эти стали условно можно разделить  на 2 группы: стали теплопрочные, работающие до 350-500 С, и жаропрочные, работающие при более высоких температурах.  

  Жаропрочностью называют способность материала длительное время сопротивляться деформированию и разрушению при повышенных температурах. Длительное воздействие температуры приводит к существенным структурным изменениям: теряется прочность, полученная при термической обработке, происходит потеря упрочнения, вызванного пластической деформацией. Если при постоянной температуре нагрузить металл постоянно действующим напряжением даже ниже предела текучести и оставить его в этих условиях на длительное время, то металл со временем будет деформироваться с определённой скоростью. Это явление получило название ползучести.