Химсопрмат

серной кислоте приведена на рис. 5.2 (кривая 2). Область пассивации наступает при более отрицательном потенциале, чем у железа, а критический ток пассивации примерно на два порядка меньше. Это означает, что хром обладает более высокой склонностью к пассивности, чем железо [24].

Рис. 5.3. Диаграмма состояния системы Fe Cr

Железо и хром имеют одинаковый тип кристаллической решетки с близкими параметрами и дают непрерывный ряд твердых растворов

239

(рис. 5.3). Преобладающей твердой фазой является фаза (феррит). При содержании менее 11,5-12% Cr при температурах не выше 8651400 °С существует фаза (аустенит). При концентрации Cr в 2075% при температурах не выше 800-850 °С образуется фаза, которая является интерметаллическим соединением (см. рис. 5.3) [24].

При достижении содержания хрома 12% масс. характеристики питтингостойкости улучшаются (рис. 5.4) [24], при 17% масс. наблюдается второе резкое улучшение питтингостойкости. При содержании хрома 40% масс. сталь не подвергается питтинговой коррозии, как и чистый хром.

Рис. 5.4. Влияние концентрации хрома на скорость питтинговой коррозии

Основным недостатком хромистых сталей является их высокая склонность к хрупкому разрушению. Для преодоления этого недостатка коррозионно-стойкие стали легируют никелем. Благодаря высокой прочности, пластичности и коррозионной стойкости никель используют и как основу для изготовления коррозионно-стойких конструкционных материалов.

Никель образует с железом непрерывный ряд твердых растворов

(рис. 5.5). При снижении температуры твердый раствор распада-

ется на . Равновесная концентрация Ni в твердом растворе достигает ~ 7,5%. При концентрации в сплаве ~ 74% никеля происхо-

240

дит образование интерметаллического соединения FeNi3 . Никель снижает скорость диффузии углерода в кристаллической решетке сплавов на основе железа, тем самым препятствуя выделению карбидной фазы [1, 24].

Рис. 5.5. Диаграмма состояния системы Fe Ni

Введение в сталь никеля не только способствует улучшению механических свойств вследствие аустенизации структуры, но и облегчает пассивацию и повышает устойчивость пассивного состояния, в

241

том числе в средах, провоцирующих развитие таких локальных коррозионных процессов, как питтинговая и щелевая коррозия. Повышение коррозионной стойкости сталей вследствие легирования их никелем не связано с изменением состава и свойств пассивирующей пленки, так как никель в составе пассивирующих пленок не обнаружен. Недостатком хромоникелевых аустенитных сталей является их низкая стойкость к коррозионному растрескиванию, минимум которой приходится на наиболее широко распространенные стали типа 18Cr- 8Ni. Более 70% всех производимых нержавеющих сталей являются сталями аустенитного класса, содержащими 17% хрома и свыше

10% никеля [24].

Для повышения коррозионной стойкости в состав хромоникеле-

вых нержавеющих сталей вводят молибден. Молибден улучшает пас-

сивируемость сталей в неокислительных средах, сужая область ак-

тивного растворения, и способствует существенному снижению их склонности к питтинговой и щелевой коррозии за счет затруднения питтингообразования, облегчения репассивации, снижения скорости растворения металла в очагах локальной коррозии и увеличения ин-

дукционного периода.

Молибден и вольфрам обладают ограниченной растворимостью в железе [1]. Увеличение устойчивости пассивного состояния хромо-

никельмолибденовых сталей объясняется вхождением молибдена в состав пассивирующих слоев. Предполагается, что при потенциалах пассивной области сталей, где молибден растворяется с образованием молибдат-ионов, происходит образование смешанных оксидов хрома и молибдена, обладающих более высокими защитными свойствами,

чем оксид хрома.

Основным недостатком хромоникельмолибденовых сталей явля-

ется их низкая стойкость в окислительных средах. Для придания хро-

мистым и хромоникелевым сталям высоких прочностных характери-

стик их дополнительно легируют вольфрамом. Кроме улучшения ме-

ханических свойств вольфрам, подобно молибдену, увеличивает кор-

242

розионную стойкость сталей, однако его действие оказывается не столь эффективным [4].

Углерод является необходимым легирующим элементом в сталях мартенситного класса (стали 30X13, 40X13, 95X18 и др.), где он обеспечивает высокие прочностные характеристики. В сталях других структурных типов углерод является вредной примесью, он образует карбиды хрома (типа Cr23C6 ), что снижает содержание хрома в сплаве.

Марганец в концентрациях 6-9% в комбинации с никелем обес-

печивает по сравнению с хромоникелевыми сплавами более высокий предел растворимости углерода и азота, повышенную стабильность аустенита [1, 4, 24].

Азот является сильным аустенитообразующим элементом. Он очень полезен в аустенитных и аустенитно-ферритных сталях. Азот упрочняет твердый раствор сильнее, чем углерод, повышает стой-

кость к питтинговой коррозии, замедляет выделение карбидных и интерметаллидных фаз. Однако присутствие азота в сталях ферритного класса нежелательно, так как он отрицательно влияет на их механи-

ческие свойства.

Медь, введенная в сталь, повышает ее стойкость в минеральных кислотах.

Титан и ниобий образуют карбиды TiCи NbC и тем самым уда-

ляют углерод из твердого раствора. При их введении в сталь повыша-

ется ее стойкость к локальным видам коррозии.

Элементы S, Pb, Se вводят в сплавы для улучшения механиче-

ской обрабатываемости. Al и Si повышают жаростойкость, микродо-

бавки редких металлов (бор и цирконий) улучшают механические свойства [1, 24].

Добиться повышения коррозионной стойкости нержавеющих сталей можно регулированием их фазового состава. Для нержавею-

щих сталей это достигается предотвращением образования в их структуре карбидов хрома и марганца, что реализуются на стадиях выплавки и переплавки металла.

243

В зависимости от структуры коррозионно-стойкие стали под-

разделяются на следующие группы [1, 4, 24, 47]:

мартенситные – стали, основной структурой которых является мартенсит. Это хромистые стали с 12-17% хрома, содержащие бо-

лее 0,15% углерода, например 08X13, 12X13, 20X13, и некоторое ко-

личество ванадия, вольфрама, молибдена, никеля, например 30X13, 40X13, 95X18;

мартенсито-ферритные – стали, структура которых представляет собой смесь двух фаз: мартенсита и не менее 10% феррита.

Это хромистые стали с 13-18% хрома, в которых содержание углерода не превышает 0,15%. Сюда относятся стали типа 12Х13, 15Х13. В

ряде случаев эти стали могут быть дополнительно легированы алю-

минием, титаном, никелем и кремнием, например, стали 14Х17Н2, 12Х17;

ферритные – стали, имеющие структуру феррита и не пре-

терпевающие превращения . Они содержат от 13 до 30% хрома и отличаются низким содержанием углерода (менее 0,15%), например

08Х13. Иногда они дополнительно могут быть легированы титаном,

ниобием, кремнием, молибденом и алюминием, например 08X17Т, 08X17Т1; в их число входят и суперферриты, содержащие понижен-

ное количество С, N и О (например 015Х18М2Б);

аустенитные – стали, имеющие структуру аустенита и содержащие 17-22% хрома, более 10% никеля, стабилизированные или нестабилизированные титаном, ниобием, цирконием или молибденом.

Кним относятся хромоникелевые стали типа Х18Н10Т, хромоникельмолибденовые стали 03Х17Н14М2, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н13М2Т, хромоникельмарганцевые и хромомарганцевые стали 20Х13Н4Г9, 10Х14АГ15, 07Х21Г7АН5, высоколегированные корро- зионно-стойкие сплавы на основе железа, например 03ХН28МДТ;

аустенито-ферритные – стали, имеющие структуру аустенита и феррита в количестве не менее 10%, например 08Х22Н6Т, 03Х25Н5АМ2, 06Х225Н7М2Б;

244

аустенито-мартенситные – стали, имеющие двухфазную ау- стенитно-мартенситную структуру. Они содержат 12-18% хрома, 4- 9% никеля, добавки алюминия и молибдена. К ним относится также ряд сталей на основе системы железо-углерод-хром-марганец, напри-

мер 09Х15Н8Ю, 08Х13Н8Д2ТМ.

Химический состав наиболее распространенных сталей этого класса приведен в табл. 5.1, а в табл. 5.2 представлен состав некоторых зарубежных хромистых нержавеющих сталей

								Таблица 5.1
	Химический состав некоторых сталей
Сталь	Химический состав (содержание элементов не более), масс. %*
	C	Cr	Ni	Si	Mn		Ti		Прочие
1	2	3	4	5	6		7		8
		Стали ферритного класса
08Х13	0,08	12–14	–	0,8	0,8		–		–
12Х17	0,12	16–18	–	0,8	0,8		–		–
08Х17Т	0,08	16–18	–	0,8	0,8		0,8		–
15Х25Т	0,15	24–27	–	1,0	0,8		0,9		–
15Х28	0,15	27–30	–	1,0	0,8		–		–
	Стали ферритно-мартенситного класса
12Х13	0,09–0,15	12–13	–	0,8	0,8		–		–
14Х17Н2	0,14–0,17	16–18	1,5–2,5	0,8	0,8		–		–
		Стали мартенситного класса
20Х13	0,16–0,25	12–14	–	0,8	0,8		–		–
30Х13	0,26–0,35	12–14	–	0,8	0,8		–		–
40Х13	0,36–0,45	12–14	–	0,8	0,8		–		–
25Х13Н2	0,20–0,30	12–14	1,5–2,0	0,8	0,8–1,2		–		–
20Х17Н2	0,17–0,25	16–18	1,5–2,5	0,8	0,8		–		–
95Х18	0,90–1,0	17–19	–	0,8	0,8		–		–
09Х16Н4Б	0,05–0,13	15–18	3,5–4,5	0,6	0,5		–		0,1–0,2Nb
	Стали аустенитно-мартенситного класса
20Х13Н4Г9	0,15–0,30	12–14	3,7–4,7	0,8	8–10		–		–
09Х15Н8Ю	0,09	14–16	7,0–9,4	0,8	0,8		–		Al0,7 1,3
07Х16Н6	0,05–0,09	16–18	5,0–8,0	0,8	0,8		–		–
08Х17Н5М3	0,06–0,10	16–18	4,5–5,5	0,8	0,8		–		Mo3,0 3,5
09Х17Н7Ю	0,09	16–18	7,0–8,0	0,8	0,8		–		Al0,5 08
09Х17Н7Ю1	0,09	16–18	6,5–7,5	0,8	0,8		–		Al0,5 08

245

Окончание табл. 5.1

06Х16Н7М2Ю	0,09	15–17	6,5–7,5	0,7	0,7	–	Al0,5 1,0
03Х14Н7В	0,09	14–15	6,0–7,2	0,7	0,7	–	W0,4 0,8
	Стали аустенитно-ферритного класса
08Х22Н6Т	0,08	21–23	5,3–6,3	0,08	0,8	0,65	–
12Х21Н5Т	0,09–0,14	20–22	4,8–5,8	0,08	0,8	0,2–0,5	–
08Х21Н6М2Т	0,08	20–22	5,5–6,5	0,08	0,8	0,2–0,4	Mo1,8 2,5
08Х18Г8Н2Т	0,08	17–19	1,8–2,8	0,08	7–9	0,2–0,5	–
		Стали аустенитного класса
08Х10Н20Т2	0,08	10–12	18–20	0,08	2,0	1,5–2,5	Al 1,0
10Х14Г14Н3	0,09–0,14	12–14	2,8–3,5	0,8	13–15	–	–
10Х14Г14Н3Т	0,1	13–15	2,8–4,5	0,8	13–15	0,6	–
10Х14АГ15	0,1	13–15	–	0,8	14–16	–	N0,15 0,25
12Х17Г9АН4	0,12	16–18	3,5–4,5	0,8	8–10,5	–	N0,15 0,25
08Х17Н13М2Т	0,08	16–18	12–14	0,8	2,0	0,7	Mo2 3
10Х17Н13М2Т	0,1	16–18	12–14	0,8	2,0	0,7	Mo2 3
12Х18Н9	0,12	17–19	8–10	0,8	2,0	–	–
12Х18Н9Т	0,12	17–19	8–10	0,8	2,0	0,8	–
04Х18Н10	0,04	17–19	8–10	0,8	2,0	–	–
08Х18Н10Т	0,08	17–19	8–10	0,8	2,0	0,7	–
12Х18Н10Т	0,12	17–19	8–10	0,8	2,0	0,8	–
03Х18Н12	0,03	17–19	11–13	0,8	2,0	–	–
12Х18Н12Т	0,12	17–19	11–13	0,8	2,0	0,7	–
* – Сера и	фосфор не	более: S	0,025%	и P 0,035%

									Таблица 5.2
Некоторые зарубежные хромистые нержавеющие стали
Марка стали	Номер			Химический состав, масс. %
	USN	C	Cr	Ni	Mo		N	Ti	Прочие
		Стали ферритного класса
405	S40500	<0,15	13	–	–		–	–	0,2Al
406	–	<0,15	13	–	–		–	–	4Al
409	S40900	<0,08	11	0,5	–		–	6 Cmin	–
430	S43000	<0,12	16	–	–		–	–	–
18SR	–	0,05	18	0,5	–		–	0,4	2,0
18Cr 2Mo	–	–	18	–	2,0		–	–	Al
446	S44600	<0,2	25	–	–		0,25	–	–

246

Окончание табл. 5.2

	E-Brite 26-1	–	<0,01	26	–	1,0	<0,015	–	0,1Nb
	29Cr 4Mo	–	<0,01	29	–	4,0	<0,2	–	–
			Стали мартенситного класса
	403	S40300	<0,15	12	–	–	–	–	–
	410	S41000	<0,15	12,5	–	–	–	–	–
	416	S41600	<0,15	13	–	0,6	–	–	–
	422	S42200	0,2	12,5	0,75	1,0	–	–	1,0W,0,22V
	H-46	–	0,12	10,75	0,5	0,85	0,07	–	0,2V,0,3Nb
	Moly Ascoloy	–	0,14	12,0	2,4	1,8	0,05	–	0,35V
	Greek Ascoloy	–	0,15	13,0	2,0	–	–	–	3,0W
	Jethe M-152	–	0,12	12,0	2,5	1,7	–	–	0,3V
	431	S43100	<0,2	16,0	2,0	–	–	–	–
		Дисперсионно-твердеющие мартенситные стали
	Custom 450	–	<0,05	15,5	6,0	0,75	–	–	1,5Cu
	Custom 455	–	0,03	11,75	8,5	–	–	1,2	2,5Cu,0,3Nb
	15-5PH	S15500	0,07	15,0	4,5	–	–	–	3,5Cu,0,3Nb
			Стали аустенитного класса
	304	S30400	<0,08	19,0	10,0	–	–	–	–
	304L	S30403	<0,03	19,0	10,0	–	–	–	–
	304N	S30451	<0,08	19,0	9,25	–	0,13	–	–
	309	S30900	<0,2	23,0	13,0	–	–	–	–
	310	S31000	<0,25	25,0	20,0	–	–	–	–
	316	S31600	<0,08	17,0	12,0	2,5	–	–	–
	316L	S31603	<0,03	17,0	12,0	2,5	–	–	–
	316N	S31651	<0,08	17,0	12,0	2,5	0,13	–	–
	317	S31700	<0,08	19,0	13,0	3,5	–	–	–
	321	S32100	<0,08	18,0	10,0	–	–	5 Сmin	–
	347	S34700	<0,08	18,0	11,0	–	–	–	10 Сmin ,Nb
	19-9DL	K63198	0,3	19,0	9,0	1,25	–	0,3	0,4Nb,1,25W
	19-9DX	K63199	0,3	19,2	9,0	1,5	–	0,55	1,2W
	17-14CuMn	–	0,12	16,0	14,0	2,5	–	0,3	3,0Cu
	202	S20200	0,09	18,0	5,0	–	0,1	–	8,0Mn
	216	S21600	0,05	20,0	6,0	2,5	0,35	–	8,5Mn
	21-6-9	S21900	<0,04	20,25	6,5	–	0,3	–	9,0Mn
	Nitronic 32	–	0,1	18,0	1,6	–	0,24	–	12,0Mn
	Nitronic 33	–	<0,08	18,0	3,0	–	0,3	–	13,0Mn

247

5.2.Материалы на основе цветных металлов и сплавов

Впромышленности наряду с легированными сталями нашли широкое применение и другие материалы, например алюминий, цинк, свинец, медь и др.

5.2.1. Алюминий и его сплавы

Алюминий и его сплавы занимают одно из первых мест по про-

изводству и потреблению.

Температура плавления – 658 °С, хорошо поддается сварке, про-

катке, ковке и другим механическим операциям. Механические свой-

ства алюминия невысоки и в значительной степени зависят от харак-

тера термической обработки.

Стандартный электродный потенциал алюминия равен –1,66 В,

т. е. он является достаточно активным металлом. Однако алюминий обладает высокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах благодаря склонности к пассивированию.

В случае равномерного разрушения алюминия скорость коррозии определяют по уменьшению его массы после удаления продуктов коррозии (табл. 5.3) [24].

Таблица 5.3

Шкала коррозионной стойкости алюминия и его сплавов

Балл	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
Уменьшение	менее	0,0003	0,0015	0,003	0,015	0,031	0,154	0,31	1,54	Бо-
массы,										лее
г/м2∙ч	0,0003	0,0015	0,0030	0,015	0,031	0,154	0,31	1,54	3,1	3,0

В пассивном состоянии поверхность алюминия покрыта пленкой,

состоящей из Al2O3 или Al2O3 H2O, толщиной от 5 до 100 нм в зави-

симости от условий эксплуатации. Пленка на алюминии обладает хо-

рошим сцеплением с металлом и удовлетворяет требованию сплош-

ности. Поэтому коррозионная стойкость алюминия во многом опре-

деляется величиной рН раствора (рис. 5.6) [24]. Пленка на алюминии образуется при рН = 3-9. Алюминий стоек в атмосферных условиях и

248