Коррозионно-стойкие стали. 
Материаловедение в машиностроении

Коррозия металлов. Защита от коррозии

Коррозия — это поверхностное разрушение металла под воздействием окружающей среды. Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия не связана с переносом электрического заряда (например, окисление металла при нагреве).

Большинство металлов разрушается в результате электрохимической коррозии, которая развивается в присутствии электролитов — растворов кислот, щелочей и солей. Электрохимическая коррозия может быть атмосферной (во влажном воздухе), почвенной, она развивается в морской воде и т. п. В присутствии электролита возникает множество микрогальванических элементов (пар), в которых участки с пониженным электрохимическим потенциалом являются анодами и растворяются. Это означает, что в определенной агрессивной среде коррозии не подвергаются металлы, имеющие, но отношению к ней более высокий положительный электрохимический потенциал. В атмосфере положительным электрохимическим потенциалом обладают Pt, Au, Ag, Cu, Ni, Со и некоторые другие металлы. Они, следовательно, не подвергаются коррозии. Электрохимический потенциал Fe, Cr, Zn, Al и других отрицательный, они корродируют на воздухе.

Если структура металла однородна (например, однородный твердый раствор), то наблюдается равномерная коррозия по всей его поверхности. При неоднородной, многофазной структуре металла коррозия развивается локально вследствие того, что на поверхности возникают участки с различным электрохимическим потенциалом, образующие микрогальванические пары. Как указывалось выше, участки с пониженным потенциалом являются анодом и растворяются. Такой вид коррозии наиболее опасен, так как области, прилегающие к растворенным участкам, являются концентраторами напряжений, что значительно снижает механические свойства металла.

Существует несколько способов защиты металлов от коррозии:

• 1. Пассивирование — создание на поверхности металла прочной оксидной пленки, непроницаемой для кислорода воздуха.
• 2. Применение однофазных сплавов. Разные фазы сплава обладают, как правило, различными электрохимическими потенциалами. Это приводит к тому, что в агрессивной среде фазы образуют электролитическую пару, в результате чего происходит разрушение металла.
• 3. Уменьшение поверхности взаимодействия с агрессивной средой. С этой целью проводят полирование поверхности изделия. Чем меньше шероховатость поверхности, тем меньше ее площадь, тем больше устойчивость изделия против коррозии.

Стали, устойчивые против коррозии

Оксиды железа (Fe2O3) образуют рыхлую пленку, не препятствующую проникновению вглубь кислорода воздуха, она не защищает металл от коррозии. Коррозионная стойкость сталей достигается легированием сталей хромом или хромом совместно с никелем. В зависимости от наличия легирующих компонентов и уровня легирования стали приобретают различную структуру. По структурному классу они делятся на ферритные, перлитные, мартенситные и аустенитные — в зависимости от структуры образцов после нагрева сталей в область аустенита и охлаждения на спокойном воздухе.

Хромистые стали

Хром в воздушной среде имеет отрицательный электрохимический потенциал, однако обладает высокой коррозионной стойкостью за счет возникновения на поверхности под действием кислорода воздуха плотной и прочной пленки оксида хрома Cr2O3. Она препятствует проникновению вглубь металла кислорода воздуха, в результате чего процесс коррозии в атмосфере прекращается.

При легировании хромом коррозионная стойкость достигается также за счет повышения электрохимического потенциала. Это происходит не постепенно, а скачкообразно. Коррозионная стойкость появляется при содержании хрома в сталях в количестве 12% в соответствии с правилом «?/8» . Оно заключается в следующем: если металл, не обладающий устойчивостью против коррозии, легировать устойчивым против коррозии металлом, образующим с первым твердый раствор, то его влияние, т. е. коррозионная стойкость, проявляется скачкообразно при введении 1/8, 2/8..N/8 моля. Для хрома эта величина составляет примерно 12% масс. При его меньшем содержании значение электрохимического потенциала остается постоянным и низким (рис. 10.3).

Рис. 10.3. Влияние хрома на электрохимический потенциал стали.

Введение

хрома в сталь смещает линии диаграммы состояния «Fe — Fe3C». Так, точка S, характеризующая эвтектоидную концентрацию углерода, смещена к его меньшим значениям (рис. 10.4). Легирование хромом, имеющим кубическую объемно-центрированную решетку (такую же, как у Fe?), расширяет в сплавах системы «Fe — Cr» область существования феррита, сужая аустенитную область (рис. 10.5).

Хромистые стали, устойчивые против коррозии (нержавеющие), в зависимости от содержания хрома можно разделить на две группы.

В первую входят стали, легированные хромом на уровне 1/8 моля — -13% Cr: 12X13, 20X13, 30X13, 40X13. В связи с изменением положения точки 5, доэвтектоидными являются только стали с низким содержанием углерода — 12X13.

Рис. 10.4. Влияние хрома на смещение линий диаграммы состояния.

Рис. 10.5. Диаграмма состояния системы «Fe — Cr» .

и 20X13 (их структура в отожженном состоянии — феррит и перлит), сталь 30X13 — эвтектоидная (структура — перлит), а сталь 40X13 — заэвтектоидная (структура — перлит, цементит и карбиды хрома) (см. рис. 10.4).

Стали 12X13 и 20X13 пластичны, имеют невысокую прочность и твердость. Их используют для лопаток паровых и гидравлических турбин, компрессоров, клапанов гидравлических устройств и т. п.

Повышение концентрации углерода в сталях этой группы приводит к увеличению твердости и прочности, но снижению пластичности. При этом снижается и коррозионная стойкость в связи с тем, что концентрация хрома в твердом растворе становится ниже 12%, так как часть его расходуется на образование хромистого карбида (Сг23С6). I (оэтому для сталей с увеличенным содержанием углерода (0,3…0,4%) необходима термическая обработка с целью обогащения хромом твердого раствора. Стали 30X13 и 40X13 подвергают закалке от температуры 1000…1100 °С (при такой температуре карбиды хрома растворяются в аустените). Структура сталей после закалки — мартенсит, это стали мартенситного класса. Окончательные свойства формируются низким отпуском (~ 200 °С). После термической обработки стали имеют хорошую коррозионную стойкость и сравнительно высокую твердость (примерно 40HRC — сталь 30X13 и 50HRC — сталь 40X13), что позволяет использовать их для хирургических инструментов, упругих элементов и т. п.

Ко второй группе относятся стали, легированные на уровне 2/8 моля — 25…30% Сг (например, сталь 12X28), обладающие более высоким электрохимическим потенциалом и поэтому большей коррозионной стойкостью. Сталь 12X28 относится к ферритному классу. Она не претерпевает полиморфного, а у превращения (область аустенита сужена, и в структуре сталей, содержащих свыше 16% хрома, его нет, см. рис. 10.5), сохраняя вплоть до начала плавления структуру феррита (твердый раствор хрома в а-железе), поэтому ее нельзя упрочнить. Поскольку измельчение зерна путем перекристаллизации невозможно, сталь имеет крупнозернистую структуру и пониженную прочность.

Стали с содержанием хрома 25…28% устойчивы против коррозии в азотной кислоте, в слабых растворах соляной кислоты и ряде других кислот, их используют для изготовления аппаратуры, работающей в этих средах.

Хромоникелевые стали

Стали этой группы легированы хромом и никелем на уровне 2/8 моля.

Никель имеет кристаллическую решетку ГЦК, аналогичную решетке Fc?, поэтому легирование? никелем расширяет область существования аустенита (рис. 10.6).

Наиболее широко используются хромоникелевые стали марок 12Х18Н9 и 12X18II9T (~ 0,12% С, — 18% Cr, — 9% Ni и < 0,7% Ti). Структура этих сталей — аустенит как при цеховой температуре (температура Mн — отрицательная), так и при нагреве, т. е. они не претерпевают полиморфного превращения. Стали относятся к аустенитному классу. Изделия из этих сталей подвергают термической обработке, но не с целью упрочнения (это невозможно, так как при изменении температуры не происходит перекристаллизации), а для повышения коррозионной стойкости за счет обогащения хромом твердого раствора. При наличии углерода в структуре отожженной стали присутствуют карбиды хрома; это означает, что нс весь хром находится в твердом растворе. Закалка от температуры ~ 1000 0C с охлаждением в воде позволяет растворить карбиды хрома в аустените и предотвратить их выделение при быстром охлаждении.

Сталь 12Х18Н9 склонна к межкристаллитной коррозии. При нагреве закаленной стали (например, при сварке) из аустенита по границам зерен может выделяться карбид.

Рис. 10.6. Диаграмма состояния системы «Fe — Ni» .

хрома Cr23С6. Это приводит, во-первых, к обеднению хромом (ниже допустимого уровня — 12%) областей аустенита, расположенных в приграничных зонах, а также к созданию микрогальваничеких пар (образуются две фазы: «аустенит — карбид» с разным электрохимическим потенциалом). В результате образуется множество очагов локальной коррозии. Лист из стали, пораженной межкристаллитной коррозией, не издает металлического звука и может разрушиться в порошок уже при небольших нагрузках.

Склонность к межкристаллитной коррозии можно устранить (или заметно снизить) легированием — введением в сталь сильных карбидообразующих компонентов, например титана — сталь 12Х18Н9Т (около 0,1% ??). Титан связывает весь углерод в карбид TiC, на образование карбидов хрома углерода нет, поэтому весь хром растворен в аустените.

Аустенитные нержавеющие стали обладают высокой пластичностью, хорошо обрабатываются давлением. Свариваемость сталей также хорошая. Обрабатываемость резанием низкая из-за высокой вязкости сталей и склонности к наклепу — стали сильно упрочняются в процессе резания.

Аустенитные хромоникелевые стали устойчивы против коррозии в морской воде, лаках, органических и азотной кислотах, слабых щелочах. Они используются для изготовления деталей, работающих в указанных средах, бытовых изделий и т. п.