5.5. Коррозионностойкие стали и сплавы Основные понятия и определения.

Коррозией называется самопроизвольное разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Коррозионностойкими называютметаллы и сплавы, которые способны сопротивляться коррозионному воздействию внешней среды.

Различают два вида коррозии: химическую и электрохимическую. В практике химическая коррозия в основном наблюдается как газовая коррозия при высоких температурах. Стали, противостоящие химической коррозии, рассматриваются как жаростойкие.

Коррозионностойкие стали и сплавы в основном эксплуатируются в условиях электрохимической коррозии. Она развивается в жидких электролитах: влажных атмосфере и почве, морской и речной воде, водных растворах солей, щелочей и кислот. При электрохимической коррозии устанавливается коррозионный ток и происходит растворение металла вследствие электрохимического взаимодействия с электролитом.

Поверхность металла в электролите электрохимически неоднородна, что приводит к образованию микрогальванического элемента. Электрохимическая неоднородность поверхности металлических материалов связана с различными факторами, главными из которых являются: концентрационная неоднородность сталей и сплавов (например ликвация), наличие структурных составляющих с различной кристаллической решеткой и химическим составом, наличие неметаллических включений, границы зерен, неоднородность пластической деформации и напряжений. Такая неоднородность поверхности приводит к чередованию анодных и катодных участков, что вызывает образование микрогальванической пары в электролите. Эффект коррозии (растворение металла в электролите) наблюдается преимущественно на анодных участках поверхности, имеющих более отрицательный электродный потенциал. Склонность металлов и сплавов к растворению в электролитах определяется их термодинамической устойчивостью, а также возможностью пассивации перехода в состояние относительно высокой коррозионной стойкости, связанное с торможением растворения анодных участков.

Основной способ защиты от коррозии использованияэффекта пассивации.При пассивации повышается электрохимический (электродный) потенциал материала, что приводит к уменьшению скорости растворения анодных участков металла и переводит его в состояние относительно высокой коррозионной стойкости.

Возникновение пассивного состояния зависит от природы металла, свойств внешней среды и действия внешних факторов (концентрации раствора, температуры, напряжений и др.). Имеются различные теории пассивации металлов, но наиболее точно объясняет её пленочно-адсорбционная теория, которая связывает их высокую коррозионную стойкость с образованием тонкой и плотной защитной пленки под которой находится слой кислорода, хемосорбированного металлом. Кислород служит переходным слоем от металла к защитной пленке, улучшает их сцепление и переводит металл в пассивное состояние.

Легко пассивирующимися металлами являются алюминий, хром, никель, титан, вольфрам, молибден. Легирование ими слабо пассивирующихся металлов, например железа, придает сплавам склонность к пассивации при условии образовании твердых растворов. При переходе в пассивное состояние наблюдается повышение электродного потенциала, который становится более электроположительным. Такое состояние для железа наступает при содержании хрома в твердом растворе свыше 12 %, скорость коррозии снижается, при этом устойчивость пассивного состояния зависит от состава коррозионной среды. Так сталь 08Х13 устойчива в растворах азотной кислоты, но корродирует в соляной и серной кислотах.

Основной легирующий элемент в коррозионностойких сталях хром; его содержание обычно находится в пределах от 11 до 30 %. При содержании хрома в твердом растворе около 12,5 % резко возрастает электродный потенциал (от -0,6 В до +0,2В). Следующий скачок электродного потенциала наблюдается при 25 %Cr. Хром защищает от коррозии в окислительной среде. Никель в сплавах с железом повышает коррозионную стойкость в слабоокислительной или неокисляющей среде (кислотах). Кроме того, никель стабилизирует аустенитную структуру и позволяет создать аустенитные хромоникелевые стали с высокой коррозионной стойкостью. Использование никеля в качестве основы позволяет получить сплавы с высокой коррозионной стойкостью в сильных агрессивных кислотах (соляной, серной).

Смещение электродного потенциала сплава в положительную сторону происходит и при введении малых добавок благородных металлов (Cu,Pt,Pd), имеющих положительный электродный потенциал (катодное легирование).

По характеру разрушения различают следующие виды коррозии: равномерную, точечную, питтинговую, щелевую, ножевую, межкристаллитную.

Межкристаллитная коррозия (МКК)– один из наиболее опасных и распространенных видов коррозии. МКК проявляется преимущественно в разрушении сталей и сплавов по границам зерен, что приводит к резкому падению прочности и пластичности и может вызвать преждевременное разрушение конструкции.

Основная причина МКК – обеднение приграничных областей хромом при выделении богатых хромом карбидов. В результате около карбидов в приграничных областях содержание хрома уменьшается до уровня, не обеспечивающего коррозионной стойкости материала в данной среде. Другими причинами являются выделение по границам зерен фаз с низкой химической стойкостью и образование по границам зерен сегрегаций поверхностно-активных элементов, снижающих стойкость основы в данной среде (B,Si,P,Sb).

Легирование стали некарбидообразующими элементами: Co, Ni, Si, Cu способствуют развитию МКК, т.к. эти элементы повышают термодинамическую активность углерода. Напротив, присутствие карбидообразующих элементов способствует понижению термодинамической активности углерода и МКК затрудняется.

Одним из направлений понижения склонности сталей к МКК является снижение в них содержания углерода и азота (до 0,02%С), присутствие которых опасно в твердом растворе, но это сложно. Поэтому все способы борьбы с появлением склонности к межкристаллитной коррозии направлены на предотвращение выделений хрома из аустенита. С этой целью в стали вводят более сильный карбидо- и нитридообразующий элемент, который связывает весь углерод и азот в карбиды и карбонитриды, а хром остается в твердом растворе и обеспечивает достаточную пассивность металла против анодного растворения. К таким элементам относятся TiиNb, содержание которых должно более чем в 5 и 10 раз, соответственно, превышать содержание углерода.

Для сталей, которые не стабилизированы TiилиNb, существует два способа термообработки, способствующей резкому снижению или полному исключению склонности к МКК.

1) Для аустенитных сталей осуществляется нагрев до 1100 °С и резкое охлаждение в воде. Нагрев обеспечивает растворение ранее выделившихся карбидов при неблагоприятных условиях (прокатка, сварка), а ускоренное охлаждение подавляет их повторное выделение и хром остается в твердом растворе, обеспечивая коррозионную стойкость стали.

2) Если сталь подвержена короблению, то проводят стабилизирующий отжиг. Для аустенитных сталей при температуре 870-900°С. Цель термообработки – обеспечить коагуляцию карбидов, частичное растворение их в аустените. Тогда карбиды не образуют цепочку, а изолированы друг от друга и склонность к МКК снижается.

Ферритные стали в большей степени подвержены МКК. При этом в отличие от аустенитных сталей, закалка от 1100°С не приводит к подавлению МКК. В ферритных сталях диффузия углерода протекает быстрее, чем в аустенитных и охлаждения в воде недостаточно, чтобы исключить образование карбидов по границам зерен. Нагрев на 1100°С приводит к очень сильному росту аустенитного зерна. Главная борьба с МКК в ферритных сталях: существенное снижение углерода и азота до 0,015% (суперферриты) и введение Ti,Nb, связывающих и выводящихC,Nиз твердого раствора, оставляя хром в нем.

В зависимости от структуры коррозионностойкие стали условно делятся на следующие классы при охлаждении на воздухе:

1. Мартенсито-ферритный;

2. Мартенситный;

3. Ферритный;

4. Аустенитный;

5. Аустенитно-ферритный;

6. Аустенитно-мартенситный.