2.8.7. Термостойкость
Термическая усталость является результатом деформаций, которые возникают при резкой смене температур. Термическая усталость развивается в таких деталях, как поршни, клапаны, лопатки газовых турбин.
Термостойкость – сопротивление материала термической усталости, т.е. разрушению (возникновению трещин) при резкой смене температур. В литературе по инструментальным сталям это свойство иногда называют разгаростойкостью.
Характеристикой термической долговечности является число циклов при испытании образцов в заданном интервале температур Nтц. Число циклов при теплосменах Nц пропорционально теплопроводности стали λ, и обратно пропорционально модулю нормальной упругости Е и термическому коэффициенту линейного расширения α:
Nтц = f (λ/ E α).
Таким образом, термостойкость зависит только от физических констант материала, а не от термической или другого вида обработки.
Для обеспечения термостойкости необходимо выбирать материал с высокой теплопроводностью, пониженным модулем упругости и коэффициентом линейного расширения.
2.8.8. Поверхностная стойкость
Обеспечение коррозионной стойкости. Процесс коррозии развивается в поверхностных слоях детали при работе в агрессивной среде, составляющие которой (жидкие или газообразные) взаимодействуют с составляющими сплава, образуя соединения – продукты коррозии, что уменьшает рабочее сечение детали.
Коррозия – самопроизвольная повреждаемость поверхности металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой, которая может приводить к разрушению конструкций. (Процесс).
Коррозионная стойкость – способность материала сопротивляться коррозии.
Различают два вида коррозии – электрохимическую и газовую. Электрохимическая коррозия протекает в различных средах, содержащих влагу, как результат образования на поверхности металла множества микрогальванических элементов (анод-катод). Газовая коррозия возникает при воздействии на поверхность сухих газов при повышенной температуре как результат образования оксидов, не имеющих защитных свойств.
Стали, устойчивые к электрохимической коррозии, называют коррозионностойкими. Стали, устойчивые к химической (газовой) коррозии, называют жаростойкими.
Коррозионно-стойкие стали применяют для изготовления деталей машин, оборудования и конструктивных элементов (в основном сварных), работающих в средах различной степени агрессивности (атмосфера обычная, влажная атмосфера, морская вода, кислоты, соли, щелочи и их растворы, и др.).
Характеристикой коррозии является скорость коррозии Vкор. Скорость равномерной коррозии оценивают удельной потерей массы в единицу времени (мг/(м2·с) или уменьшением размера образца за определенный период времени (мкм/год).
Для дополнительной регистрации процесса коррозии на поверхности металлов и сплавов применяют два способа – описательный (очень часто) и измерительный. Описательный способ регистрирует вид поражения, цвет продуктов коррозии, равномерность распределения их по поверхности, наличие местных повреждений. При количественной регистрации измеряют убыль массы – Δm, абсолютную или удельную (с единицы площади); уменьшение толщины образца – Δh и другие параметры.
Под воздействием внешней среды на поверхности металлов и сплавов возникают замкнутые гальванические элементы (анод - катод). При электрохимической коррозии анодные микроучастки сплава растворяются (анодный процесс растворения), что и является причиной коррозионного повреждения поверхности.
Развитие электрохимической коррозии определяется термодинамической устойчивостью металла-основы сплава к анодному растворению, а также возможностью пассивации поверхности.
Пассивация – торможение анодного процесса вследствие образования на поверхности металла тонкой защитной пленки.
Возможность перехода металла в пассивное состояние определяется его химической природой. Например, железо является слабо пассивирующимся металлом, а углеродистые стали относятся к не коррозионностойким сплавам. К сильно пассивирующимся металлам относятся алюминий, хром, титан, никель, молибден и другие, которые используются для легирования сталей с целью обеспечения коррозионной стойкости. Пассивное состояние, создаваемое этими элементами, связывают с образованием на поверхности тонких защитных пленок.
О
беспечение
коррозионной стойкости достигается за
счет легирования сталей:
1. Хромом при содержании хрома более 12 %.
2. Одновременно хромом (13 - 27 %) и никелем (9 - 12 %).
3. Предотвращением образования в структуре сталей хромистых карбидов, потому что переход хрома в эти карбиды приводит к обеднению твердых растворов этим элементом и, следовательно, к снижению коррозионной стойкости.
Коррозионностойкие покрытия – один из распространенных способов защиты металлов и сплавов от воздействия агрессивной среды.
Цинкование проводят при температуре 460 - 470°С. При таком способе покрытия толщиной от 15 до 200 мкм могут быть нанесены на мелкие и крупногабаритные детали и металлоконструкции длиной в несколько метров за время менее часа. Диффузионные цинковые покрытия обладают высокой коррозионной стойкостью как в атмосферных условиях, так в более агрессивных средах, например в коксохимическом производстве, при добыче нефти или газа, содержащих сероводород. После цинкования стойкость стальных труб, используемых в этих производствах, повышается от 3 до 6 раз по сравнению с состоянием без покрытия. Сплавы успешно защищают от коррозии при создании покрытий из металлов, обладающих эффектом пассивации: алюминия, хрома, кремния.
Хромирование сталей применяют для обеспечения высокого сопротивления коррозии во влажной, морской и большинстве промышленных атмосфер.
Силицирование придает сталям высокую коррозионную стойкость в морской воде, серной и соляной кислотах. Силицированию подвергают детали, используемые в оборудовании химической, бумажной и нефтяной промышленности (трубопроводы, арматура, крепежные детали и т.п.).
Неорганические защитные покрытия в виде коррозионностойких химических соединений образуются на поверхности металла и сплава в результате химической или электрохимической обработки. Наиболее распространенными являются фосфатные и оксидные покрытия. Однако эти покрытия по защитным свойствам уступают металлическим.
Фосфатные покрытия получают фосфатированием – обработкой стальных изделий горячим раствором фосфорно – кислых солей марганца, железа, цинка, при которой на поверхности образуется пористая пленка из фосфатов металлов. Благодаря большой пористости фосфатные покрытия хорошо удерживают краску и служат отличным грунтом под лакокрасочные покрытия. Сами же фосфатные покрытия не обладают высокими антикоррозионными свойствами.
Оксидные покрытия получают оксидированием – созданием на поверхности оксидной пленки путем химической или электрохимической обработки. Электрохимическое оксидирование алюминия и его сплавов называется анодированием. Оксидные покрытия защищают черные и цветные сплавы от атмосферной коррозии.
К органическим покрытиям относят краски, лаки, смолы, полимерные материалы, а также их композиции. Эти покрытия обеспечивают полную изоляцию изделий от агрессивной среды.