Стали, устойчивые против коррозии
Разрушение металла под действием окружающей среды называется коррозией. Чистое железо и низколегированные стали не устойчивы против коррозии в воде, атмосфере и других средах. Повысить устойчивость стали против коррозии можно легированием ее такими элементами, которые образуют на поверхности стали защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и исключающие или уменьшающие контакт металла с окружающей средой, а также повышением ее электрохимического потенциала.
Стали, содержащие меньше 12% хрома, имеют низкий электрохимический потенциал и сильно подвержены коррозии. Стали, содержащие хрома свыше 12-14%, ведут себя как благородные металлы, т.е. обладают положительным потенциалом и высокой стойкостью против коррозии. Кроме того, нержавеющие стали должны иметь однофазную структуру,
Сталь 12X13 нестабильна по свойствам, так как небольшие откло- нения в составе (в пределах марки) по углероду и хрому резко меняют ее структуру.
Стали 12X13, 12X17, 15X25T, 15X28 относятся к ферритному классу (их структура — феррит — не меняется при нагреве).
Стали 20X13, 30X13, 40X13 относятся к мартенситному классу.
Коррозионная стойкость сталей с 13% хрома повышается, если весь хром находится в твердом растворе.
Поэтому, чем больше углерода в сталях Х13, тем более высокой должна быть температура закалки, чтобы растворимость хромистых карбидов была более полной. Наличие карбидов в структуре способствует образованию микрогальванопар, а следовательно, понижает коррозионную стойкость.
Повысить коррозионную стойкость нержавеющих сталей можно термической обработкой.
Нержавеющие хромистые стали хорошо свариваются Однако ферритные коррозионностойкие стали при этом обладают одним существенным недостатком, а именно возникающей при перегреве крупнозернистостью, которая не устраняется последующей термической обработкой из-за отсутствия фазовых превращений в этих сталях. Крупнозернистость вызывает повышенную хрупкость. Введение титана и азота в ферритные нержавеющие стали оказывает сдерживающее влияние на рост зерна и устраняет крупнозернистость.
Присадка никеля в сталь 12X17 приводит к появлению γ-α-превращений и повышает прочность стали.
С увеличением содержания никеля до 8-10% хромистые нержавеющие стали становятся аустенитными. Коррозионностойкие аустенитные стали с 18% хрома и 9% никеля получили широкое промышленное применение. Типичным представителем является сталь 12Х18Н9 (<0,12% С, 17-19% Сг и 8-10% Ni). В отожженном состоянии сталь имеет структуру аустенит + карбиды.
Хромоникслевыс коррозионно-стойкие стали подвергают закалке с 1100-15000С с охлаждением в воде. При таком высоком нагреве происходит растворение карбидов хрома Ме23С6, а быстрое охлаждение фиксирует состояние пересыщенного твердого раствора. Медленное охлаждение недопустимо, так как при этом происходит выделение карбидов по границам зерен, что ухудшает пластичность и коррозионную стойкость стали.
После закалки сталь имеет низкую прочность, но высокую пластичность σt- 550-580 МПа, δ= 40-45%, ψ = 55-60%. Закаленная сталь хорошо штампуется и сваривается.
Холодной деформацией (наклепом) можно повысить прочность закаленной аустенитной стали до 1200-1300 МПа, но пластичность при этом снижается (δ = 5%).
Если закаленную аустенитную сталь нагреть до 500-7000С, то из пересыщенного аустенита по границам зерен будут выделяться карбиды хрома. Это ведет к увеличению хрупкости стали и уменьшению содержания хрома (< 12%) в пограничных областях. Обеднение твердого раствора хромом резко снижает стойкость против коррозии.
Коррозионное разрушение по границам зерен называется меж -кристаллитной. или интеркристаллитной коррозией.
Сталь, пораженная межкристаллитной коррозией, теряет металлический звук и при изгибе легко разрушается по границам зерен.
Склонность к межкристаллитной коррозии устраняется снижением содержания углерода (до 0,04% и менее), а также введением в сталь сильных карбидообразуюших элементов — титана или ниобия.
Эти элементы в процессе кристаллизации связывают углерод в тугоплавкие карбиды (TiC, NbC), поэтому исключается возможность образования карбидов хрома и уменьшение его концентрации в аустените.
Сталь 12Х18Н9Т, содержащая Тi, в меньшей степени подвержена интеркристаллитной коррозии.
Аустенитные стали склонны к так называемому коррозионному растрескиванию, или к коррозии под напряжением. Она заключается в том, что на поверхности детали, находящейся под нагрузкой или имеющей внутренние остаточные напряжения (после наклепа) и помешенной в слабую коррозионную среду, возникают тонкие трещины, проходящие главным образом по телу зерна.
.
ЦВЕТНЫЕ МЕТАЛЛЫ И СПЛАВЫ
Медные сплавы
Чистая медь обладает высокой пластичностью, высокими тепло- и электропроводностью. Плотность меди 8,9 г/см3, температура плавления 1083 "С.
Медь широко применяют в электротехнической промышленности, а также используют как полуфабрикат при выплавке сплавов.
Марки меди следующие: МО (99,95% Сu), Ml (99,9% Сu), М2 (99,7% Сu), МЗ (99,5% Сu), М4 (99,0% Сu).
Практически все примеси ухудшают электропроводность меди, такое же влияние оказывает наклеп.
Медь, содержащая кислород, подвержена «водородной болезни». При нагреве меди в среде, содержащей водород, происходит диффузия водорода в медь. Водород, взаимодействуя с закисью меди, вызывает образование паров воды по реакции Cu2O+H2→2Cu+H2O. Пары воды создают в металле большое давление, в результате чего образуются микротрещины.
Чистая медь из-за низкой прочности не получила широкого применения в машиностроении. В основном применяются сплавы меди с цинком, оловом, алюминием, кремнием и т.д.
Сплавы меди с цинком называются латунями. Латуни маркируются буквой Л — латунь, за которой стоят цифры, указывающие содержание в ней меди (Л96, Л62 и т.д.).
Практическое применение имеют латуни с содержанием цинка до 45%, так как дальнейшее увеличение содержания цинка приводит к резкому падению прочности.
Максимальной пластичностью обладает латунь с 30-32% цинка.
В зависимости от содержания цинка латуни делятся на однофазные α латуни, в которых цинка до 39%, и двухфазные (α+δ)-латуни, в которых цинка больше 39%.
Однофазные α-латуни имеют более высокую пластичность, чем двухфазные, но меньшую прочность Однофазные α-латуни хорошо обрабатываются давлением в холодом состоянии (Рис.1)
Рис.1 Влияние содержания цинка на свойства латуней
.С повышением температуры до 300—700 °С пластичность α-латуней ухудшается.
В результате наклепа твердость и прочность α -латуней повышаются а пластичность уменьшается . Например, предел прочности латуни Л80 возрастает с 320 МПа до 640 МПа, но относительное удлинение уменьшается с 55 до 3%. Для снятия наклепа латуни подвергают рекристаллизационному отжигу при 500—700 °С.
Двухфазные (α+β)-латуни хорошо деформируются при горячей обработке, т.е. при температурах выше 500 °С.
Если после холодной обработки давлением был проведен недоброкачественный отжиг или он совсем не проводился, то в процессе эксплуатации латуни во влажной среде может наблюдаться растрескивание. Это явление называется сезонным растрескиванием.
Сезонное растрескивание предупреждается отжигом при 200-3000С. Латуни, в которых цинка менее 20%, нечувствительны к сезонному растрескиванию.
Кроме простых латуней применяются специальные (сложные) латуни, в которые для придания тех или иных свойств дополнительно вводят различные элементы. Для улучшения обрабатываемости резанием в латуни вводят свинец, для повышения сопротивления коррозии в морской воде — олово, для повышения механических свойств — алюминий, никель и др.
Специальные латуни маркируются буквой Л, после которой следуют буквы, обозначающие легирующие элементы: А — алюминий, Ж — железо, К — кремний, М — марганец, Н — никель, С — свинец и т.д. Первые две цифры, стоящие за буквами, указывают среднее содержание меди, последующие цифры — содержание легирующих элементов. Количество цинка определяется по разности.
Сплавы меди с оловом, свинцом, кремнием, алюминием и другими элементами называются бронзами.
Маркируют бронзы буквами Бр — бронза, за которыми следуют буквы, указывающие легирующие элементы, введенные в бронзу, и далее цифры, показывающие содержание легирующих элементов в процентах (например, Бр 010 означает 10% олова, остальное медь).
Оловянистые бронзы (содержание олова до 20%) обладают хорошими литейными свойствами, высокой химической стойкостью и хорошими антифрикционными свойствами. В практике применяют оловянистые бронзы с 10—12% олова. Бронзы с более высоким содержанием олова очень хрупкие.
Бронзы с 4—5% олова являются однофазными и хорошо деформируются в холодном состоянии. Эти бронзы подвергают рекристаллизационному отжигу при 600—650°С.
Двухфазные бронзы (содержание олова >25%) обладают хорошими антифрикционными свойствами.
Для удешевления бронз с высоким содержанием олова в них вводят цинк. Это позволяет уменьшить содержание олова.
С целью улучшения обрабатываемости резанием в оловянистые бронзы вводят свинец (3—5%).
Фосфор (до 1%) добавляют в бронзу как раскислитель и для улучшения литейных свойств. Кроме того, фосфор повышает механические и антифрикционные свойства.
Алюминиевые бронзы содержат 5—10% алюминия. Бронзы, содержащие 6—8% А1, обрабатываются давлением в холодном и горячем состояниях. Бронзы, содержащие 8—10% А1, обрабатываются давлением только при высоких температурах.
Алюминиевые бронзы можно подвергать термической обработке, нормализации с нагревом до 650 °С или закалке с 900 °С в воде. Алюминиевые бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии. Введение никеля и железа повышает механические свойства алюминиевых бронз.
Кремнистые бронзы превосходят оловянистые по механическим свойствам и являются более дешевыми. Кремнистые бронзы обладают высокой стойкостью против коррозии.
Бериллиевые бронзы содержат 2,0-2,5% Be. Бериллиевые бронзы — дисперсионно-твердеющие сплавы, значительно повышают механические свойства в результате термической обработки. Закалка осуществляется с 760—780 °С, охлаждение производится в воде. В результате закалки фиксируется пересыщенный α-раствор. Старение проводят при 300—350 °С в течение 2 ч, при этом твердость возрастает до 350-400НВ.
Высокие прочность и упругость, стойкость против коррозии, хорошая свариваемость и обрабатываемость резанием делают бериллиевую бронзу хорошим материалом для ответственных деталей типа пружин, мембран и т.д. Кроме того, при ударе бериллиевой бронзы о другой металл не возникает искры, поэтому из нее делают инструмент для взрывоопасных работ.