NM / Тема_6

86

опасность коррозионно-усталостного разрушения состоит в том, что оно может проходить практически в любых, в том числе таких слабых коррозионных сре- дах, как влажный воздух, газы, влажные машинные масла и др. Поэтому корро- зионная усталость металлов и сплавов наблюдается во всех отраслях техники,

87

прежде всего в энергетической, нефтегазодобывающей, горнорудной промыш- ленности, в морском, наземном и воздушном транспорте.

При коррозиионо-усталостном нагружении разрушение может произойти при напряжениях, значительно меньших обычного предела усталости. При этом величина условного предела усталости приближается к нулевому значению. Объясняется это тем, что даже при минимальных напряжениях или их отсутст- вии недостаточно защищенный металл разрушится только от коррозии. Про- грессирующий рост трещин усталости обусловлен с одной стороны низким значением электродного потенциала в месте концентрации напряжений, а с другой – легким разрушением защитной оксидной пленки в устье трещины при переменном нагружении.

6.3 Методы защиты от коррозии

Методы защиты от коррозии можно объединить в следующие группы:

1)нанесение защитных покрытий и пленок;

2)изменение электрохимического потенциала защищаемого материала по отношению к среде на границе фаз;

3)модификация коррозионной среды.

Борьба с коррозией с применением защитных покрытий является наибо- лее распространенным способом. В качестве защитных применяют металличе- ские и неметаллические покрытия.

Металлические покрытия могут быть выполнены из металла более или менее благородного, чем подложка. В связи с этим они делятся на две группы: катодные и анодные покрытия.

К катодным покрытиям относятся те покрытия, электрохимический по- тенциал которых в данных условиях больший, чем у защищаемого металла. На алюминий почти всегда наносят катодные покрытия. Покрытия из благородных металлов на стали имеют такой же характер. Катодные покрытия защищают металл только благодаря его изоляции от атакующей среды. Поэтому свою роль

88

они выполняют только при наличии полной сплошности. Если в катодном по- крытии образуется щель, то в условиях коррозии она становится катодом, а от- крытая часть защищаемого металла – анодным элементом. Анодная поверх- ность при этом значительно меньше, чем катодная. Электрохимическое разру- шение металла концентрируется на небольшой поверхности. Учитывая опасно- сти, кроющиеся в возможных несплошностях катодных покрытий, их делают сравнительно большой толщины.

Анодные покрытия – это покрытия, выполненные из металла, у которого электродный потенциал меньше, чем у защищаемого металла. Для железа, ра- ботающего в малокислых или нейтральных растворах, анодными покрытиями являются цинк, алюминий. Защитные свойства анодных покрытий состоят не только в механической изоляции металла от коррозионной среды. Они заклю- чаются еще и в электрохимическом воздействии. В случае нарушения покрытия и образования коррозионного элемента, защищаемый металл, являющийся ка- тодом, не разрушается. Небольшие несплошности в анодных покрытиях не опасны.

Металлические покрытия наносят электроосаждением, погружением в расплавленные металлы, металлизацией напылением, химическим осаждением солей, диффузией и т. д. В последнее время все большее распространение по- лучает нанесение покрытий в вакууме.

Неметаллические покрытия применяются в случае возникновения хи- мической реакции металла в соответствующих средах. К ним, в частности, от- носят оксидные алюминиевые покрытия, полученные в ходе специального электролитического процесса. Фосфатные покрытия применяются в большин- стве случаев с дополнительными защитными средами, как, например, краски, лаки и т. п. Фосфатирование стали состоит в погружении изделия в разбавлен- ный раствор фосфорной кислоты и кислых фосфатов цинка или магния. В ре- зультате реакции образуется нерастворимый фосфат железа, который в ходе процесса плотно покрывает поверхность металла. К этой же группе относят ке- рамические покрытия и стекловидные эмали. Эти покрытия достаточно стойки

89

к воздействию минеральных и органических кислот. Их недостатком является повышенная хрупкость и низкая стойкость в условиях резких перепадов темпе- ратуры.

К органическим покрытиям относятся разнообразные лакокрасочные ма- териалы.

Знание механизма коррозии позволило создать методы коррозионной за- щиты путем наложения на металл такого потенциала, при котором он становит- ся термодинамически устойчивым. К таким методам относятся катодная защита и уменьшение агрессивности среды, окружающей металлоконструкцию.

Катодная защита состоит в присоединении к защищаемой конструкции анода-протектора с более отрицательным электрохимическим потенциалом. Протектор (лат. protector – покровитель, защитник) и служит таким анодом, препятствующим разрушению защищаемого сплава; сам протектор при корро- зии постепенно разрушается.

Протектором может являться любой металл, имеющий по отношению к данному сплаву более отрицательный потенциал. Однако разница в потенциа- лах не должна быть слишком большой, чтобы при электрохимическом процессе не происходило быстрого разрушения протектора.

Протекторы представляют собой обычно небольшие пластинки, присое- диняемые к защищаемой детали заклепками или болтами. Катодную или про- текторную защиту широко применяют при защите от морской и подземной коррозии металлоконструкций, коммуникаций, трубопроводов, сосудов и т. д. В качестве анодов-протекторов для защиты стальных изделий обычно приме- няют сплавы магния или цинка. Защита может также осуществляться присое- динением защищаемого металла к отрицательному полюсу постоянного тока.

Для уменьшения агрессивности окружающей среды в нее вводят добав-

ки, называемые ингибиторами коррозии, которые или способствуют пассива- ции металла, или значительно снижают скорость его коррозии. Условием ис- пользования ингибиторов является эксплуатация изделия в замкнутой среде по- стоянного состава.

90

Различают анодные и катодные ингибиторы. В качестве анодных ингиби- торов коррозии используют различные вещества, образующие нерастворимые соединения на анодных участках. Одним из таких пассиваторов является хром- пик К2Сr207, вводимый в количестве 2 – 3 г/л в раствор охлаждающей жидко- сти.

Катодные ингибиторы тормозят катодный процесс. К их числу относятся различные травильные присадки, добавляемые в количестве 1 – 2 % в кислоты для снятия окалины без разрушения основного металла.

Летучие ингибиторы, такие как нитрат натрия NaNO2, применяют для пропитки бумаги, в которую заворачивают детали, подлежащие хранению или транспортировке. Испаряясь, они насыщают окружающее детали пространство, создавая защитную газовую среду. Летучие ингибиторы отличаются высокой эффективностью. Стальные изделия, завернутые в бумагу, обработанную NaNO2, в условиях относительной влажности 85 % не ржавеют в течение 5 лет. Преимуществом летучих ингибиторов является отказ от применения защитных покрытий, удобство расконсервации и постоянная готовность деталей к немед- ленному использованию без дополнительной обработки.

6.4 Коррозионностойкие стали

Устойчивость против коррозии повышается при введении в состав стали хрома, алюминия, кремния. Эти элементы образуют непрерывную прочную ок- сидную пленку и повышают электродный потенциал, т. е. увеличивают элек- троположительность стали. Алюминий и кремний повышают хрупкость стали и применяются реже хрома. При содержании хрома более 12 % сталь резко изме- няет электродный потенциал с электроотрицательного (–0,6 В) на электропо- ложительный (+0,2 В). На поверхности образуется плотная защитная пленка оксида Сr2О3.

Сталь, содержащая 12 – 14 % Сr, устойчива против коррозии в атмосфере, морской воде, ряде кислот, щелочей и солей. Кроме хрома, в состав коррозион-

91

ностойких сталей вводят также другие элементы – чаще никель. С ростом со- держания хрома коррозионная стойкость стали растет.

Коррозионностойкие стали (corrosion-resistant steel) обычно делят на хро- мистые ферритные, содержащие 12 – 25 % Сr и 0,07 – 0,2 % С и хромистые мартенситные, содержащие 12 – 18 % Сr и 0,15 – 1,2 % С, а также аустенитные стали, содержащие 12 – 18 % Сr, 8 – 30 % Ni и 0,02 – 0,25 % С.

Хромистые стали коррозионностойки при температуре до 300°С в водо- проводной воде, влажной атмосфере, растворах азотной кислоты и многих ор- ганических кислотах. В морской воде хромистые стали подвержены коррози- онному растрескиванию под напряжением.

Содержание углерода в коррозионностойких аустенитных сталях ограни- чено, и желательно, чтобы оно было ниже предела растворимости углерода в легированном никелем аустените при 20°С, составляющего 0,04 %. Присутст- вие в стали более высоких концентраций углерода может приводить к образо- ванию карбидов хрома типа Сr23С6, вследствие чего твердый раствор обедняет- ся хромом и создается двухфазная структура. При этом снижается коррозион- ная стойкость стали. Для предотвращения образования карбидов хрома, осо- бенно при технологических нагревах, связанных с проведением операций свар- ки или пайки и опасностью возникновения межкристаллитной коррозии, в сталь вводят дополнительно титан, ниобий или тантал. Эти элементы связыва- ют углерод в карбиды типа TiC, NbC, TaC, оставляя хром в твердом растворе. Необходимое количество титана для введения в сталь определяют по формуле

где С – содержание углерода в стали.

Стали, не склонные к межкристаллитной коррозии, называют стабилизи- рованными. Эффект стабилизации может быть достигнут, помимо введения сильных карбидообразующих элементов, снижением содержания углерода ни-

же 0,04 %.

Хромоникелевые коррозионностойкие стали содержат дефицитный и до- рогостоящий никель и поэтому имеют высокую стоимость. В ряде случаев при-

92

меняют более дешевые стали, в которых весь никель или часть его заменены марганцем. Например, до температур –196°С и в слабоагрессивных средах вме- сто стали 12Х18Н10Т может быть использована сталь 10Х14Г14Н4Т.

Азот повышает стабильность аустенита, поэтому для повышения корро- зионной стойкости можно использовать более высокие концентрации хрома и молибдена, не увеличивая склонность стали к выделению интерметаллидных фаз. Примером может служить сталь 03Х20Н16АГ6, используемая в криоген- ной технике.

6.5 Коррозионностойкие сплавы цветных металлов

Различают две группы коррозионностойких цветных металлов:

–непассивирующиеся металлы с высоким электродным потенциалом (Аu, Pt, Ag, Сu и сплавы на их основе);

–пассивирующиеся металлы, образующие на поверхности плотные за- щитные пленки оксидов (Ti, Al, Cr).

Золото, платина, серебро коррозионностойки практически в любых сре- дах, кроме некоторых концентрированных кислот. Медь сохраняет коррозион- ную стойкость во влажной атмосфере, морской воде и многих органических ки- слотах. Для подавления склонности латуней к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере проводят отжиг для снятия внутренних напряжений.

Пассивирующиеся металлы характеризуются высокой коррозионной стойкостью в сухой и влажной воздушной среде, в органических и неорганиче- ских кислотах.

Титан по сопротивлению коррозии уступает только золоту и платине. Высокая коррозионная стойкость титана объясняется образованием на поверх- ности стойкой пассивирующей пленки оксида TiO2. Он сохраняет коррозион- ную стойкость даже при нагреве во влажной атмосфере. Титановые сплавы об- ладают высокой стойкостью против кавитационнои коррозии в морской воде.

93

Алюминий и алюминиевые сплавы образуют на поверхности защитную оксидную пленку А12О3, что обеспечивает их коррозионную стойкость во влажной атмосфере и в кислотной среде. Пленка устойчива в нейтральных сре- дах, но легко растворяется в щелочах. Поэтому в щелочных средах алюминий и его сплавы легко разрушаются. В морской воде алюминиевые сплавы подвер- жены коррозионному растрескиванию.

Такие легирующие элементы, как медь и железо, имеющие более высо- кий электродный потенциал, ухудшают коррозионную стойкость алюминиевых сплавов. Дуралюмины, легированные медью, по коррозионной стойкости су- щественно уступают чистому алюминию. Легирование электроотрицательными элементами кремнием и магнием не ухудшает пассивность, а марганец оказы- вает даже положительное влияние благодаря образованию соединения (MnFe)Al6, что позволяет удалить железо из твердого раствора и устранить его отрицательное действие на коррозионную стойкость. Поэтому сплавы типа АМц сопротивляются коррозии даже лучше, чем технический алюминий.