производство и поставка оборудования для механических испытаний, неразрушающего контроля, химического анализа и визуального контроля, диагностического оборудования, приборов визуального контроля, систем контроля доступа персонала, элементов систем умного производства. Испытательная лаборатория. Сервисный центр

Глава 1. Коррозионностойкие стали и сплавы / Глава 1.3. Хромистые нержавеющие стали / Глава 1.3.1 Влияние основных легирующих элементов на свойства хромистых нержавеющих сталей

Среди сталей этой группы широкое применение находят стали мартенситного класса, содержащие 11-13 % хрома, которые дополнительно легируют Ni, Mo, V, W, Nb. Они имеют лучшие механические свойства при повышенных температурах и коррозионную стойкость, чем стали типа Х13, не подвергаемые дополнительному легированию. Стали этой группы также обладают высокими значениями ударной вязкости.

Пассивностью называют состояние относительно высокой коррозионной стойкости металлов, сталей и сплавов в агрессивных средах, возникающее в результате торможения анодной реакции ионизации в определенной области электродных потенциалов.

Металл в пассивном состоянии практически не подвержен коррозии, хотя электродный потенциал его поверхности на сотни милливольт смещен в сторону положительных значений от потенциала коррозии. Это означает, что не выполняется уравнение анодной поляризационной кривой

где iа - плотность тока анодной реакции, мА/см2; ķа - константа скорости анодного перехода; β - коэффициент переноса, отражающий влияние электродного потенциала поверхности металла на анодную реакцию; п - число электронов, высвобождающихся в результате протекания анодной реакции ионизации металла; F - число Фарадея, Кл; R - универсальная газовая постоянная; Т - абсолютная температура, К; ∆Е - сдвиг электродного потенциала поверхности от равновесного значения, мВ.

В соответствии с этим уравнением скорость анодного процесса должна возрастать с увеличением сдвига электродного потенциала. Однако в состоянии пассивности, напротив, наблюдается многократное торможение анодной реакции. Так, в случае хрома и сплавов на его основе скорость анодного растворения снижается почти в миллион раз. Металл переходит в пассивное состояние, как правило, при контакте с сильными окислителями (кислород, пероксид водорода, ионы хромата СrO42-, дихромата Сr2O72-, перманганата МnО4- и др.). Однако для некоторых металлов (например, Ti) далее вода может служить сильным окислителем.

Одной из причин снижения скорости коррозии является образование на металлической поверхности нерастворимых оксидов и гидроксидов.

Переход в пассивное состояние характерен для Cr, Ni, Ti, Аl, иногда Fe и других металлов, а также сплавов на их основе.

Пассивность металлов имеет большое практическое значение, так как открывает ряд путей снижения коррозионных потерь.

Исследование пассивности проводят посредством снятия потенциостатических поляризационных кривых. С помощью типового потенциоCrата на изучаемый образец металла подают строго определенный электродный потенциал и регистрируют скорость анодного процесса (анодную плотность тока). Эту операцию повторяют многократно в необходимом диапазоне потенциалов, в результате чего получают анодную поляризационную кривую металла.

На рисунке 3 приведена типичная анодная потенциостатическая кривая, которая имеет четыре характерных участка:

1- область активного растворения, в которой металл переходит в ионное состояние;
2- область формирования пассивного состояния металла (или область активно-пассивного перехода), которое наступает по достижении потенциала пассивации Еn и плотности тока пассивации in. В этой области не выполняется уравнение (1), и скорость коррозии снижается при сдвиге электродного потенциала в сторону положительных значений. Последнее может быть связано с образованием на поверхности оксидов или гидроксидов в соответствии с реакциями

3- область пассивности, которая наступает при достижении потенциала полной пассивации Еnn. В этой области изменение потенциала не влияет на скорость растворения металла, остающуюся постоянной и соответствующую величине плотности тока полной пассивации inn. Металл в пассивном состоянии не является абсолютно инертным, вследствие чего величина inn никогда не достигает нулевого значения. Смещение потенциала в этой области в сторону отрицательных значений вызывает увеличение inn только после того, как его величина достигнет уровня Еnn.

Электродный потенциал начала активации металла называют Фладе-потенциалом. При наличии в коррозионной среде ионов-активаторов (например, галоидных ионов Сl-, I-, Вr- и др.) может наступить локальное нарушение пассивного состояния в результате протекания реакции

Следствием этого является прорыв пассивной пленки в наиболее слабых местах при так называемом «потенциале пробоя» и проявление точечной (питтинговой) коррозии;

Рисунок 3 - Типичная полная анодная поляризационная кривая и ее характерные участки

4- область перепассивации (или транспассивности), начинающаяся по достижении потенциала перепассивации Епер. В ней скорость коррозии снова начинает расти с увеличением значений электродного потенциала. Отличие от области 1 заключается в том, что металл, находящийся в пассивном состоянии, растворяется с образованием ионов высшей степени окисления (например, в случае Fe в области 1 образуются ионы Fe2+ , а в области 4 - ионы Fe3+).

На практике важно, чтобы потенциал Еnn был как молено более электроотрицателен, а потенциал Епер - как можно более электроположителен, то есть область пассивного состояния металла должна быть по возможности широкой и более устойчивой. Величины inep и inn в свою очередь, должны быть минимальны.

Легирующие элементы в стали по-разному влияют на области и характерные параметры анодной поляризационной кривой.

Так, по данным Н.Д. Томашова, некоторые легирующие элементы оказывают следующее влияние на основные параметры анодной поляризационной кривой:

Железоуглеродистые сплавы также приобретают способность к пассивации, свойственную для хрома. Кроме того, при легировании хромом повышаются защитные свойства высокотемпературной окалины. Поскольку хром относится к самопассивирующимся металлам, при механическом повреждении пассивной пленки она в дальнейшем легко восстанавливается, сохраняя свои защитные свойства. Если окислительные свойства коррозионной среды увеличиваются, то пассивируемость хромистых сталей возрастает.

Принцип коррозионностойкого легирования сталей хромом основан на применении диаграммы состояния «Fe - Сr» и количественно определяется зависимостью скорости коррозии от электродного потенциала. Здесь стрелками ↑ и ↓ показано смещение электродного потенциала в отрицательную и положительную стороны соответственно, а стрелками ← и → - уменьшение или увеличение плотности анодного тока. Случай ↑↓ указывает на наличие противоречивых данных. Прочерк свидетельствует о том, что влияние данного элемента четко не проявляется.

Выбор легирующих элементов, а следовательно, марки стали, определяется условиями эксплуатации конструкции. Для создания коррозионностойких и жаростойких сплавов на основе железа в качестве легирующего элемента обычно применяют хром, так как получаемые скорости коррозии зависят от его содержания в железохромистых сплавах. Введение в сплавы на основе железа наряду с хромом десяти и более процентов никеля приводит к превращению структуры феррита (присущей хромистым сталям) в более гомогенную структуру аустенита, коррозионная стойкость которой значительно выше. Никель повышает пластические свойства стали, сохраняя при этом достаточный запас прочности. Он также увеличивает ее способность к пассивации в депассивирующих средах (едкие щелочи, расплавы солей и т.п.).

В заключение отметим, что переход металла в пассивное состояние и его перепассивация зависят только от величины электродного потенциала и не зависят от факторов, определяющих его природу (вид окислителя, поляризация внешним током и др.).

Введение никеля в стали, содержащие 12-13 % Сr, приводит к расширению на диаграмме состояния сплавов системы Fe-Cr-C γ-области и снижению критической скорости закалки, что позволяет легко получать мартенситную или мартенсито-аустенитную структуры. Повышаются также пластичность и ударная вязкость сталей.

Эти ферритообразующие элементы расширяют α-область и сужают γ-область на диаграмме состояния. Их коэффициент ферритообразован и я значительно выше, чем у хрома.

Введение Мо и W в хромистые нержавеющие стали увеличивает их коррозионную стойкость в средах повышенной агрессивности (морская вода, органические кислоты и т.д.). В окислительных средах (например, HNO3, напротив, коррозионная стойкость этих сталей при введении Мо уменьшается.

Молибден образует в сталях простые (МоС, Мо2С) и сложные карбиды, а Мо и W при повышенных температурах (600...700 °С) способствуют также формированию фаз Лавеса типа Fe2W и Fe2Mo. Хромистые нержавеющие стали, легированные Мо, V, W и Nb, обладают жаропрочностью и используются, например, для изготовления пароперегревательных труб паровых котлов и паропроводов с высокими параметрами пара.

Рисунок 4 - Зависимость скорости коррозии от содержания Сr в сплавах на основе Fe

Вольфрам введенный в сталь в небольших количествах слабо влияет на коррозионную стойкость. Его применяют как легирующий элемент для увеличения сопротивляемости сталей ползучести при высоких температурах. Отрицательно сказывается W на окалиностойкости.

Ванадий, будучи ферритообразующим элементом, замыкает γ-область на диаграмме состояния при введении в сталь в количестве около 1 %. Его главной особенностью является способность образовывать стабильные мелкодисперсные карбиды в ходе нормализации с температур 1000-1050 °С. В этих условиях в сталях, легированных V, развиваются процессы дисперсионного твердения. Образующиеся мелкодисперсные карбиды V существенно повышают прочность сталей и их сопротивляемость ползучести. Ванадий отрицательно влияет на жаростойкость сталей. Для предупреждения образования флокенов (водородных пузырей) в сталях горячие поковки из них после изготовления рекомендуется термообрабатывать по специальному режиму: выдержка в предварительно прогретой до 600 °С печи в течение 5-6 часов с последующей изотермической выдержкой при температуре наименьшей устойчивости аустенита. Продолжительность выдержки выбирают так, чтобы обеспечивалось полное превращение аустенита и необходимое снижение содержания Н2 в стали.

Кремний увеличивает жаростойкость хромистых нержавеющих сталей при повышенных и высоких температурах. При введении в них 2-5 % Si значительно повышается коррозионная стойкость. В промышленности распространены стали, которые содержат наряду с Сr также Si и А1. Они называются сильхромами и сихромалями.

Алюминий способствует увеличению окалиностойкости хромистых нержавеющих сталей и их электросопротивления. Стали этой группы с пониженным содержанием углерода (< 0,06 %) используют на практике в качестве сплавов высокого омического сопротивления (например, фехраль, хромаль) вместо нихромов, которые являются дорогостоящими, так как содержат много никеля.

Титан и ниобий, являясь ферритообразующими элементами, значительно сужают у-область на диаграмме состояния Fe-Cr-C и повышают критические точки АС| и Ас3. Кроме того, они способствуют образованию карбидов в нержавеющих и кислотостойких сталях и тем самым увеличивают стойкость последних к межкристалл итной коррозии (МКК). NbC более стоек при температурах выше 1000... 1050 °С. Эти элементы также повышают жаропрочность хромистых нержавеющих сталей.

С 2011 года научно-производственное предприятие «УКРИНТЕХ» успешно работает и развивается в области контроля качества материалов и изделий.

Контакты

ООО НПП "Укринтех":
г. Харьков, ул.Ковтуна, д.50, корпус "А-5"

Для почты:
а/я 2304, Харьков-1, 61001, Украина

ООО НПП "Укринтех"
+38 (050) 499-09-89; +38 (067) 560-89-39
+38 (067) 575-45-10; +38 (057) 768-09-02

"ЦНИ Лаборатория"
+38 (098) 262-48-92

Компания

Производство и поставка
испытательного оборудования, оборудования для металлографии, приборов НК и др.

Сервисный центр
Ремонт, сервисное обслуживание и модернизация оборудования.

Центр независимых исследований
Аккредитованная испытательная лаборатория.