9.3. Материалы со специальными свойствами.

9.3.1. Стали, устойчивые против коррозии.

Коррозия - это поверхностное разрушение металла под воздействием окружающей среды. При этом некоторые металлы (например, железо, стали) покрываются продуктами коррозии – ржавчиной. Различают химическую и электрохимическую коррозию.

Химическая коррозия не связана с переносом электрического заряда, она развивается при воздействии на металл газов (газовая коррозия) или жидкостей, которые не являются электролитами (например, нефть и ее продукты).

Большинство металлов разрушается в результате электрохимической коррозии, которая развивается в присутствии электролитов - растворов кислот, щелочей и солей. Электрохимическая коррозия может быть атмосферной (во влажном воздухе), почвенной, она развивается также в морской воде и т.п. В присутствии электролита возникает множество микрогальванических пар, в которых участки с пониженным электрохимическим потенциалом являются анодами и растворяются. Это означает, что в данной агрессивной среде не подвергаются коррозии те металлы, которые имеют по отношению к ней положительный электрохимический потенциал. По отношению к воздушной среде имеют положительный электрохимический потенциал и, следовательно, не подвергаются коррозии Pt, Au, Ag, Cu, Ni, Co и некоторые другие металлы, а отрицательный - Fe, Cr, Zn, Al и др., которые подвергаются коррозии на воздухе.

Наиболее распространенные конструкционные материалы – стали общетехнического назначения не обладают коррозионной стойкостью. Под воздействием кислорода атмосферы на поверхности стальных деталей образуются оксиды железа (Fe₂O₃). Они образуют рыхлую пленку, не препятствующую проникновению кислорода воздуха, поэтому коррозия распространяется вглубь металла.

Коррозионная стойкость сталей достигается легированием сталей элементами, создающими защитные оксидные пленки и (или) повышающие электрохимический потенциал. Такими элементами являются хром и никель. В промышленности используют коррозионно-стойкие хромистые и хромоникелевые стали.

Хромистые стали. Хром обладает высокой коррозионной стойкостью за счет возникновения на поверхности плотной и прочной пленки оксида хрома Cr₂O₃, которая препятствует проникновению вглубь металла кислорода, в результате чего процесс коррозии в атмосфере прекращается.

Коррозионная стойкость сталей, легированных хромом, возрастает также за счет повышения электрохимического потенциала. Однако, это достигается лишь при определенных количествах хрома в стали. Возрастание коррозионной стойкости сталей происходит не постепенно, а скачкообразно: при введении его в количествах, пропорциональных примерно 12% масс (рис. 9.4). Таким образом, конструкционные хромистые стали, рассмотренные ранее - 40Х, 40ХФА, 40ХН, 40ХН2МА, 40Х2Н2МА и др., содержащие менее 12% хрома, коррозионной стойкостью не обладают.

В промышленности используют две группы коррозионно-стойких хромистых сталей: первая – с содержанием хрома более 12%, вторая - более 25%.

В первую входят стали 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13. Стали этой группы устойчивы против коррозии в атмосфере, воде, в ряде слабых растворов кислот и щелочей.

Низкоуглеродистые стали 12Х13 и 20Х13 имеют невысокую прочность и твердость, практически не упрочняются при термической обработке, их достоинство – высокая пластичность. Их используют для лопаток паровых и гидравлических турбин, клапанов гидравлических устройств и др.

Стали 30Х13 и 40Х13 подвергают закалке от температуры 1000…1100°С. Структура сталей после закалки – мартенсит. Закалка и низкий отпуск сталей (~200°С) позволяют получить достаточно высокую твердость сталей 30Х13 и 40Х13 - примерно 40HRC и 50HRC, соответственно. Эти стали используют для изготовления хирургических инструментов, упругих элементов и т.п.

Ко второй группе относятся стали, легированные 25…30% Cr (например, сталь 12Х28), обладающие более высоким электрохимическим потенциалом и, поэтому, большей коррозионной стойкостью. Эти стали устойчивы в азотной кислоте, в слабых растворах соляной кислоты и ряде других кислот и используются для изготовления аппаратуры химической промышленности.

Хромоникелевые стали легированы хромом - ~18% и никелем 9…10%, при меньшем содержании никеля коррозионная стойкость не достигается. Стали, с таким содержанием никеля, являются аустенитными. Наиболее широко используются хромоникелевые стали марок 12Х18Н9 и 12Х18Н9Т (~0,12% C, ~18% Cr, ~9% Ni и £0,7% Ti в стали 12Х18Н9Т). Структура этих сталей – аустенит они не претерпевают полиморфного превращения, т.е. упрочнить их термической обработкой невозможно. Однако, изделия из этих сталей подвергают термической обработке (закалка от температуры ~ 1000°С с охлаждением в воде), но не для упрочнения, а для повышения коррозионной стойкости.

Аустенитные нержавеющие сталей обладают высокой пластичностью, они хорошо обрабатываются давлением. Упрочнение сталей возможно за счет наклепа. При степени деформации, равной 40% предел прочности возрастает более, чем в два раза (примерно с 600 до 1400МПа). Вместе с тем, склонность к упрочнению наклепом определяет весьма низкую обрабатываемость резанием, стали сильно упрочняются в процессе резания.

Аустенитные хромоникелевые стали превосходят хромистые по сопротивлению коррозии, они работоспособны в морской воде, лаках, органических и азотной кислотах, слабых щелочах. Стали используют для изготовления деталей, работающих в указанных средах.