8.3 Коррозионная стойкость легированных сталей

Единого подхода к созданию коррозионно-стойких сплавов не существует. Не создано сплава, устойчивого против коррозии в любых средах. Так, легирование стали хромом – надежный метод защиты от коррозии при работе в пассивном состоянии, но совершенно бесполезно при работе в неокислительных средах (НСl, H₂SО_{4 разб}), где коррозия протекает с катодным контролем.

В зависимости от основных свойств легированные стали разделяют на три группы: нержавеющие (коррозионно-стойкие); жаростойкие (окалиностойкие) и жаропрочные.

Нержавеющие стали обладают высокой химической стойкостью в агрессивных средах. Наиболее распространены из этой группы – хромистые (13-30% Cr), хромоникелевые (до 10-12% Ni), хромоникельмолибденовые стали. Термин «нержавеющие стали» условен и не предполагает абсолютную стойкость этих материалов в агрессивных средах.

Хромистые стали. При содержании хрома в стали > 25 % системы Fе–С–Сr устойчивы в «царской водке» и в 30 %-ном растворе хлорида железа (II). В разбавленных растворах серной и соляной кислот хромистые стали неустойчивы, поскольку в неокислительных средах защитная пассивная пленка не образуется. Сернистая и органические кислоты (муравьиная, винная, щавелевая), особенно при нагревании разрушают эти сплавы.

В разбавленных щелочных растворах хромистые стали при обычных температурах устойчивы, но при повышенных температурах в концентрированных растворах и расплавах щелочей они малоустойчивы.

Хромистые стали подвержены межкристаллитной коррозии, что связано с выпадением по границам зерен, богатых хромом карбидов и обеднения хромом твердого раствора (теория обеднения).

Хромоникелевые стали. Введение никеля изменяет структуру и положительно влияет на свойства сплава (измельчает зерно). В щелочах коррозионная стойкость сплавов Fе–Ni очень высока при содержании никеля выше 30 %. Сплавы, содержащие 50-80 % Ni, отличаются высокой стойкостью в плавиковой кислоте.

Высоколегированные хромоникелевые стали устойчивы в азотной кислоте при концентрациях не выше 80 % и температуре до 70°С, а в соляной кислоте неустойчивы. В фосфорной кислоте устойчивы при температуре до 100°С и концентрации не выше 60 %. Хромоникелевые стали достаточно устойчивы также в большинстве органических соединений (кислоты, спирты и др.), в растворах нитратов, сульфатов и хлоридов, в сухом хлоре и сернистом газе, в оксидах азота, сероводороде, оксиде углерода (II). При высоких концентрациях растворов азотной кислоты хромоникелевые стали, так же как и хромистые, из-за перехода хрома в оксиды высшей степени окисления перепассивируются, и пассивные пленки теряют защитные свойства (из-за растворения пассивных пленок).

Хромоникельмолибденовые стали (10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т), содержащие 2-3 % молибдена, сочетают сравнительно высокую прочность с очень высокими пластическими свойствами и высокой ударной вязкостью. Стали, содержащие молибден, склонны к пассивации, как в окислительных, так и в восстановительных средах и в средах, содержащих хлорид-ионы. Хромоникельмолибденовые стали применяют для изготовления аппаратуры, работающей в сильно агрессивных средах, например в 10-12%-ных растворах серной кислоты при 40-50°С в горячих растворах сернистой и фосфорной кислот, в кипящих растворах уксусной, щавелевой и муравьиной кислот.

Нержавеющие стали как конструкционный материал широко используют в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой про­мышленности и как декоративный материал – в архитектуре и автомобилестроении. Кроме того, они применяются для изготовления режущих инструментов, штампов, лопаток паровых турбин.

Жаростойкие стали способны противостоять коррозионному разрушению под действием воздуха или других газов при высоких температурах. Такие стали не образуют окалины при высоких температурах. Например, хромистая сталь, содержащая 30 % Сr, устойчива до 1200°С. Введение небольших добавок алюминия резко повышает жаростойкость хромистых сталей.

Устойчивость жаростойких сталей при высоких температурах объясняется образованием на их поверхности плотных защитных пленок, состоящих главным образом из оксидов легирующих элементов (хром, алюминий, кремний).

Жаростойкие стали используют как конструкционный материал при изготовлении различных деталей нагревательных устройств и энергетических установок.

Жаропрочные стали способны выдерживать механические нагрузки без деформаций при повышенных температурах. К числу жаропрочных относятся стали, содержащие хром, кремний, молибден, никель и др. Они сохраняют свои прочностные свойства при нагреве до 650°С и более.

Из таких сталей изготовляют нагревательные элементы теплообменной аппаратуры, детали котлов, впускные и выпускные клапаны автомобильных, тракторных, поршневых двигателей.