12. Коррозионностойкие, жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

12.1. Коррозионная стойкость сталей и сплавов.

Получение металлов из их природных соединений сопровождается значительной затратой энергии: исключение – самородные металлы (золото, платина, серебро, ртуть). Энергия, которая накапливается в металлах как энергия Гиббса, делает их химически активными веществами, переходящими в результате взаимодействия с окружающей средой в состояние положительно заряженных ионов:

Meⁿ⁺ + ne Me^о (G0), Мe^о – ne Мeⁿ⁺ + (G0),

где G – энергия Гиббса (свободная энергия).

Коррозия (от лат. corrojo – грызу) – самопроизвольное разрушение материала под действием окружающей среды. Коррозии подвержены все металлические и неметаллические материалы. Из этого черного списка надо исключить принудительное растворение металлов в кислотах c целью получения солей и процессы гальванотехники, радиоактивный распад, эрозию, износ трущихся деталей, шлифование.

Коррозия протекает на границе раздела изделия – окружающая среда, то есть является процессом гетерогенным. Ущерб, который наносит коррозия мировому хозяйству, чрезвычайно велик. По данным Международного института коррозии и защиты металлов, около 20 % произведенного в мире металла идет на покрытие потерь от коррозии. Потери от коррозии складываются из безвозвратных потерь металла, стоимости изготовления конструкции, вышедшей из строя в результате коррозии, и косвенных убытков – простой машины из-за вышедшей детали из строя или отказ электрического контакта.

На скорость и механизм коррозионных процессов большое влияние могут оказывать внешние факторы – температура, давление среды, напряжение, скорость потока жидкости и газа, наличие трения, кавитации, облучения.

По природе гетерогенных процессов взаимодействия окружающей среды с металлами эти процессы можно разделить на два основных типа:

химическая коррозия протекает в сухой атмосфере и чаще всего при повышенных температурах (газовая коррозия). Этот же тип коррозии металлических материалов наблюдается при взаимодействии с неэлектролитами;

электрохимическая коррозия (ЭКХ) – самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие взаимодействия их с электролитически проводящей средой. В качестве примеров можно привести коррозию подземных трубопроводов, активное разрушение изделий в морской воде, разрушение металлоконструкции в атмосфере и т.д. Причина ЭХК– термодинамическая неустойчивость материала в конкретной среде.

Причина газовой коррозии – термодинамическая неустойчивость металла в данной газовой среде. Газовая коррозия развивается в сухих газах при повышенных температурах (закалка, отжиг, ковка, прокатка – технологические процессы, а также выхлопные газы ДВС и дизелей, отвод газов в металлургической и нефтехимической промышленностях).

К электрохимической коррозии относятся:

• коррозия в электролитах – кислотная, щелочная, солевая, морская;

• почвенная – ржавление металла в грунте (подземные трубопроводы);

• структурная коррозия – разрушение сталей, чугунов, дуралюмина и других сплавов в растворах кислот;

• электрокоррозия – разрушение металлов под действием блуждающих токов;

• контактная коррозия – интенсивное разрушение металлов, имеющих разные электродные потенциалы (медь-алюминий);

• щелевая коррозия – усиленное разрушение в зазорах, резьбовых соединениях, между фланцами;

• коррозия под напряжением – агрессивная среда в сочетании с внешними нагрузками;

• кавитация – разрушение металла при одновременном воздействии удара и агрессивной среды;

• коррозия при трении – фриттинг - коррозия.

Электрохимическая коррозия развивается в результате работы множества короткозамкнутых гальванических элементов, образующихся вследствие неоднородности металлического материала или внешней среды. Неоднородность поверхности материалов связана с концентрационной неоднородностью сталей и сплавов (ликвацией), границами зерен, присутствием различных включений, анизотропностью свойств отдельных кристаллитов, несплошностью и различным составом поверхностных пленок, неоднородностью деформаций и напряжений в металлах.

Легирование является основным методом борьбы с ЭХК. Цель легирования:

- создать положительный электродный потенциал сталей и сплавов в конкретной окружающей среде;

- создать на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом.

В зависимости от характера разрушения различают равномерную, протекающую примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности метала, помещенного в коррозионную среду, и локальную, охватывающую только некоторые участки поверхности (точечная, щелевая, межкристаллитная, избирательная коррозии – в зависимости от характера разрушаемых участков). Межкристаллитная коррозия (МКК) – один из наиболее опасных и распространенных видов местной коррозии. МКК проявляется преимущественно в разрушении сталей и сплавов по границам зерен, что приводит к резкому падению механических свойств. Причиной является химическая гетерогенность между приграничными зонами и объемом зерен. Есть несколько методов борьбы с МКК:

1) уменьшение содержания углерода (при содержании С = 0,015 % МКК отсутствует), но при этом часто не представляется возможным получить заданные свойства;

2) закалка в воде с последующим старением при 870 ⁰С в течение двух часов, при этом происходит коагуляция карбидов и самодиффузия атомов хрома к границам;

3) легирование сильными карбидообразователями – Ti, Nb, Ta; эти элементы образуют карбиды типа MeC, связывая углерод и предотвращают образование Cr₂₃C₆ – виновника возникновения МКК. Низкоуглеродистые хромоникелевые стали (0,03-0,04 %) применяют для сварных конструкций, а сварочные электроды и присадочную проволоку из сталей легированных Nb, так как он меньше и в сравнении с титаном выгорает из расплава.