Коррозионностойкие стали

Коррозией называется разрушение металла под действием окружающей среды в результате ее химического и электрохимического воздействия.

Электрохимическая коррозия — наиболее распространенный вид коррозии металлов. Она представляет собой электрохимическую реакцию, состоящую из двух процессов – анодного и катодного. Поведение металлов, находящихся в электролите, зависит от значения их электродного потенциала: металл, имеющий более отрицательный электродный потенциал (анод), отдает ионы в раствор и растворяется, а избыточные электроны перетекают в металл, имеющий более высокий электродный потенциал (катод). Катод при этом не разрушается, а электроны из него удаляются во внешнюю среду.

Для защиты от коррозии широко применяют явление пассивации (торможение анодного процесса). Устойчивость стали против коррозии повышается при введении в ее состав таких элементов, как Cr (более 12 %), Al, Si, способствующих образованию на поверхности металла защитных оксидных пленок и повышающих электрохимический потенциал стали. Сталь с 12-14 % Cr устойчива против коррозии в атмосфере, воде, морской воде, ряде кислот, щелочей и солей. С увеличением содержания хрома возрастает коррозионная стойкость сталей.

Класс стали	Термообработка	Марки сталей
мартенситный	закалка от 1000С в масло и низкий отпуск при 200-300С	20Х13, 30Х13, 40Х13 и 95Х18
мартенситно-ферритный	закалка и высокий отпуск при 600 - 700С – для получения сорбитной структуры	12Х13, 14Х17Н2
ферритный	отжиг при 700-800С	08Х13, 12Х17, 08Х17Т, 15Х25Т, 15Х28
аустенитный	закалка от температуры 1100-1150С – для растворения карбидов – в воде без отпуска	12Х18Н10Т, 12Х18Н9, 04Х18Н10, 03Х18Н12, 17Х18Н9 обычно содержат 18 % Cr и 9 - 12 % Ni

Жаростойкие и жаропрочные стали и сплавы

применяют для деталей, работающих в газовых средах при температуре 550-900С.

Способность металла сопротивляться химическому действию окружающей газовой среды (высокая стойкость против химического разрушения поверхности) при высоких температурах называется жаростойкостью или окалиностойкостью.

При нагреве выше 600°С происходит интенсивное окисление сплавов на основе железа. Образующаяся на поверхности металла рыхлая пленка оксида FeO неспособна предотвратить диффузию кислорода в металл. Такие легирующие элементы, как Cr, Si, Al улучшают состав и строение оксидной пленки (эти элементы находятся в твердом растворе и образуют в процессе нагрева защитные пленки окислов (Cr, Fe)₂O₃, (Al, Fe)₂O₃). Она становится плотной, хорошо прилегающей к металлу, что затрудняет диффузию кислорода. Стали, легированные указанными элементами не образуют окалины при высоких температурах.

Коррозионностойкие стали одновременно являются жаростойкими сталями. При этом жаростойкие свойства растут с увеличением содержания Cr в стали.

Способность материала сопротивляться пластической деформации и разрушению при высоких температурах называется жаропрочностью.

Оценку жаропрочности сталей проводят по их сопротивлению пластической деформации (пределу текучести) и разрушению (пределу длительной прочности). При температурах, близких к началу рекристаллизации, приложение нагрузки, даже меньшей предела текучести, приводит к медленной пластической деформации – ползучести. Учитывая, что развитие высокотемпературной ползучести совпадает с началом рекристаллизации, рост жаропрочности сплава может быть достигнут легированием тугоплавкими металлами W, Mo, V, Nb, Ti.

К жаропрочным материалам относят:

а) Стали классов

– перлитные стали (марки 12ХМ, 12Х1МФ) – в закаленном или нормализованном (950-1050С) и высокоотпущенном (650-750С) состоянии. После нормализации и отпуска стали имеют структуру пластинчатого перлита.

– мартенситиые стали (марки 15Х11МФ, 15Х12ВНМФ) – закалка от 1000-1050С в масле на мартенсит с последующим отпуском на сорбит или троостит.

– аустенитные стали (марки 09Х14Н16Б, 09Х14Н19В2БР, 45Х14Н14В2М) – закалка 1050-1200С, в воде, в масле, на воздухе и старение при температурах выше эксплуатационных (600-800С). При старении происходит выделение из аустенита мелкодисперсных избыточных фаз, что дополнительно увеличивает сопротивление стали ползучести.

б) Сплавы на никелевой основе, содержащие более 30-50 % Ni работают при температурах до 700-900С:

– нихромы, содержащие Ni и Cr, используемые как жаростойкие материалы для нагревательных элементов – Х20Н80;

– нимоники - стареющие сплавы на основе Ni, содержащие Cr, Ti и Al. Примером нимоника может служить сплав ХН77ТЮР, содержащий: 19 – 22 % Cr, 2.4 - 2.8 % Ti, 0.6 – 1.0 % Al, остальное - Ni. Максимальная жаропрочность нимоников достигается после закалки от 1100-1200С и старения при 700-750С в течение 15–20 ч.

в) Керамические материалы на основе SiC, Si₃N₄ (системы Si–А1–О–N), которые способны работать при температурах выше 1500–1700С, не боясь перегрева и не требуя принудительного охлаждения.

г) Тугоплавкие материалы и сплавы на их основе для работы при температурах выше 1000°С: Cr - 1900°С, Nb - 2415°С, Mo - 2620°С, Ta - 3000°С, V - 3410°С.