5.1.1. Легирование легкопассивирующимися компонентами
Многие металлы в определённых окислительных условиях могут быть переведены в пассивное состояние, однако наиболее сильно это выражено у титана, хрома, никеля, железа, магния. Наиболее ярко это проявляется в окислителях - азотной кислоте и сильно аэрируемых растворах. При легировании менее пассивирующихся металлов более пассивирующимися, пассивируемость образованного сплава приближается или выходит на уровень легирующего компонента. Примером может служить легирование железа хромом - получение хромистых нержавеющих сталей, железа - кремнием (получение кислотостойких высококремнистых чугунов), никеля - хромом (сплавы типа нихромов и инконелей). Во всех этих случаях резкое повышение склонности к пассивированию наблюдается тогда, когда атомная доля хрома в сплаве станет кратной 1/8, например, для хромистых сталей это достигается при содержании в сплаве около 12,5; 25; 37,5 ат. %, т.е. около 11,8; 23,7 и 35,8 вес % хрома (рис. 5.2). Так, хромистая сталь считается нержавеющей, если в её составе находится не менее 12,5 ат. % хрома.
Рис. 5.2. Коррозия литых Fe-Cr сплавов в 85% H3PO4, 90°С, 120 ч.
Некоторые коррозионностойкие стали приведены в табл 5.1.
Таблица 5.1.
Класс стали |
Марки |
Основные области применения, характерные свойства |
Ферритный |
08Х13 |
Вода, пар, атмосферные условия |
12Х17, 08Х17Т |
Окислительные кислоты (азотная и др.), щелочи |
|
08Х18Т |
Бытовые приборы пищевой и легкой промышленности |
|
15Х28 |
Растворы окислительных кислот (HNO3 и др.), щелочи |
|
Мартенситный
|
20Х13 |
Слабоагрессивные среды (пар, вода: водные растворы солей, органические кислоты) |
30Х13, 40Х13, 95Х18 |
Режущие, измерительные и хирургические инструменты, пружины, подшипники |
|
Мартенситно-ферритный |
40Х15, 12Х13 |
Пар, вода, твердые износостойкие детали, хирургические инструменты, кольца, шарикоподшипники |
70Х28 |
Отливки с повышенной КС; хорошие литейные свойства |
|
10Х29, 40Х28Н4 |
Химическая промышленность, в частности для HNO3 и органических кислот; высокое сопротивление истиранию |
|
Аустенитный
|
Хромоникелевые стали |
Химическая и нефтехимическая промышленность; сварные конструкции, контактирующие с HNO3 и другими окислительными средами, органическими кислотами средних концентраций, органическими растворителями, в атмосферных условиях. Жаростойкие и жаропрочные, используются в криогенной технике |
08Х18Н10Т, 08Х18Н12Б, 03Х18Н11 |
По коррозионным и технологическим свойствам близки к сталям 12Х18Н10Т и 12Х18Н9Т, но сварные соединения более стойки к НК и МКК |
|
08Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М2Т, 10Х17Н13М3Т, 08Х17Н15М3Т |
Сварные конструкции, работающие условиях воздействия фосфорной, муравьиной, уксусной кислот, и других повышенно агрессивных средах; сталь 08Х17Н15МЗТ используют для колонн синтеза мочевины |
|
02Х8Н22С6 |
Оборудование, работающее под действием концентрированной НNO3 при высоких температурах |
|
03Х21Н21М4ГБ
|
Оборудование для производства экстракционной H3PO4, комплексных минеральных удобрений |
|
06ХН28МДТ (06Х23Н28М3Д3Т) |
Оборудование для производства H2SO4 (до 80 0С), сложных минеральных удобрений, экстракционной H3PO4 и других сред повышенной кислотности |
|
03ХН28МДТ |
По сравнению с 06ХН28МДТ более стойка к МКК |
|
03Х18Н20С3М3Д3Б |
Аппаратура, работающая преимущественно в растворах H2SO4 |
|
10Х14Г14Н4Т |
Сварная аппаратура, работающая в средах химических производств слабой агрессивности, в криогенной технике (до –253 0C) |
|
Аустенито- ферритные |
08Х22Н6Т, 03Х23Н6, 08Х21Н6М2Т, 03Х22Н6М2, 08Х18Г8Н2Т, 08Х18Г8Н3М2Т |
Стали с повышенной прочностью - заменители аустенитных КС-сталей типа Х18Н10Т и Х17Н13М2Т. Производство HNO3, капролактама, адепиновой кислоты, мочевины и аммиачной селитры |
Аустенито- мартенситный |
07Х16Н6, 09Х15Н8Ю, |
Высокопрочные КС-конструкции, работающие в слабоагрессивных средах |
Одним из методов повышения коррозионной стойкости является введение компонентов, повышающих термодинамическую устойчивость анодной фазы - легирование атомами более химически устойчивого компонента. Например, при введении в медь 50 ат. % золота коррозионная стойкость сплава Cu-Au повышается до уровня коррозионной стойкости золота.
Другим методом, является введение компонентов, сдвигающих потенциал зерна в отрицательную сторону. При этом сдвиг потенциала зерна в отрицательную сторону, т.е. увеличение анодной активности зерна, приводит к выравниванию потенциалов зерен и границ зерен, что вызывает уменьшение склонности сплавов к МКК (легирование алюминиевых сплавов магнием).
Пример 5.1. Определить состав ( массовый процент хрома) всех возможных по правилу n/8 коррозионностойких сплавов Fe-Cr.
Решение. 1) Атомная масса железа АFe=55,85 г, а хрома ACr =52,01 г,
отсюда находим содержание хрома Y, отвечающее первой границе устойчивости n=1:
X=100-Y;
,
откуда Y
= 11,7 % Cr
(по массе).
2) Аналогично находим процент хрома для остальных значений:
n |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
Cr, % по массе |
11,7 |
23,7 |
35,9 |
48,2 |
60,8 |
73,6 |
86,7 |