Сплавы на железоникелевое и никелевой основе

При изготовлении химической аппаратуры, особенно для работы в серной и соляной кислотах необходимо применять сплавы более высокой коррозионной стойкостью, чем аустенитные стали.

Для этих целей используют сплавы на железоникелевой основе типа 04ХН40МДТЮ и сплавы на никель-молибденовой основе Н70МФ, на хромоникелевой основе ХН58В и хромоникельмолибденовой основе ХН65МВ, ХН60МБ. Наряду с никелем и хромом в сплавы вводят пассивирующие элементы молибден и медь. Для повышения прочности при старении за счет выделения интерметаллидов вводят алюминий и титан.

Структура сплава 04ХН40МДТЮ после закалки- аустенит с включеними карбонитридов титана. После старения в сплаве наблюдается до 14 % интерметаллидной ɣ^/-фазы типа NI₃(Al,Ti), что сопровождает значительным упрочнением. Сплавы этого типа могут работать в контакте с агрессивными средами (например, растворы сернистой и фосфорной кислот) при наличии значительных механических напряжений.

Структура сплава Н70МФ после закалки от 10701100°С – α -твердый раствор молибдена в никеле и некоторое количество специальных карбидов Мо₆С и СV. Нагрев сплава при 600800°С отрицательно сказывается на его коррозионной стойкости и сопротивления МКК из-за выделения по границам зерен карбидов МеС и интерметаллических фаз типаNi₄MoиNi₃Mo. Сплав применяется для работы в органических кислотах, солянокислых средах и концентрированных растворах серной и фосфорной кислот.

Структура сплавов ХН58, ХН6ГМВ после закалки от оптимальных температур – α - твердый раствор с первичными карбидами типа Me₆C.

При нагреве в интервале 800-1000°С в них могут выделяться карбиды и интерметаллиды (Me₂₃C₆, µ -фаза типа (Ni,Cr)₇(Mo,W)₆), что отрицательно сказывается на их коррозионных свойствах. Эти сплавы предназначены для изготовления ёмкостей и трубопроводов в химическом машиностроении, для работы при повышенных температурах, в средах высокой агрессивности (солянокислые, сернокислые среды, хлор, уксусная кислота и др.)

5.6 Жаростойкие стали и сплавы

Это стали и сплавы, обладающие стойкостью против химической коррозии в газовых средах при температурах выше 500550С и работающие в ненагруженном или слабонагруженном состоянии. При газовой коррозии металл переходит в более термодинамически устойчивое окисленное состояние за счет того, что окислительный компонент среды (кислород), отнимая у металла валентные электроны, одновременно вступает с ним во взаимодействие, продуктом которого является оксид, образующий на поверхности металла оксидную пленку:

Me ^{– 2e} Me ^{2 +};

O ^{+ 2e} O^{2 –}

Me ²⁺ + O^2- MeO

Защитная пленка оксидов затрудняет перемещение ионов металла и окислителя (кислорода) друг к другу – происходит самоторможение процесса коррозии по мере утолщения пленки. Сплошность плёнок в значительной степени определяет их защитные свойства. Достаточно хорошие защитные свойства имеют пленки при соотношении: 2,5 V_Ок / V_Ме(V_Ок, V_Меобъёмы оксида и металла, соответственно).

Процесс роста пленок сложный и включает несколько последовательных стадий: адсорбция кислорода из газовой фазы поверхностью металла, его ионизация , диффузия ионов металла и кислорода через пленку , реакция образования оксида, изменение состояния поверхностных слоев.

Скорость окисления зависит от многих факторов , главными из который являются:

1. внешние – температура, давление, скорость перемещения газового потока, состав газовой среды;

2. внутренние – строение и физико–химические свойства пленки( тип кристаллической решетки оксида, устойчивость, температура плавления, плотность, пластичность, коэффициент линейного расширения, адгезийные свойства и др.;

3. скорость диффузии ионов кислорода и металла через пленку;

4. скорость реакции образования кислорода.

Окалина, образующаяся на железе и стали при нагреве , состоит из трех слоев: вюстита FeO, магнетитаFe₃O₄и гематитаFe₂O₃. Ниже 575С вюстит не образуется, а с повышением температуры его количество резко возрастает, составляя выше 750C9495 % всей окалины. Вюстит представляет собой твердый раствор вычитания с дефицитом атомов железа (большое количество вакансий). Скорость окисления при наличии вюстита резко возрастет и жаростойкость существенно снижается. Ее удается повысить за счет легирования хромом , никелем, алюминием , кремнием.

Под действием внутренних напряжений и служебных нагрузок пленки разрушаются и снижаются их защитные свойства. Внутренние напряжения определяются различными факторами:

1. объем окалины и объем металла; образование и рост пленки сопровождается увеличением объема (V_Ок  V_Ме), что вызывает сжимающие напряжения;

2. различие коэффициентов теплового расширения метала и его оксида, чем оно больше , тем выше напряжения;

3. величина служебных нагрузок .

При окислении легированных сталей возникают шпинели – двойные оксиды FeO ∙ Cr₂O₃ ; FeO ∙ Al₂O₃ и др. с плотной упаковкой атомов. Защитные свойства этих пленок выше просто оксидных.

При создании жаростойких сталей нужно учитывать:

1) плотность и диффузионную проницаемость оксидных слоев;

2) их прочность и пластичность (от этого зависит сплошность плёнки);

3) различие коэффициентов объемного и линейного расширения металла и его оксида;

4) характер адгедийных связей пленки с металлом .

Легирующие элементы в жаростойких сталях могут играть следующую роль:

1) ионы легирующего элемента входят в решетку оксида основного компонента, уменьшая его дефектность и диффузионную проницаемость;

2) легирующий элемент образует на поверхности сплава защитный оксид, препятствующий окислению основного метала;

3) легирующий элемент с основным металлом образует двойные оксиды типа шпинелей, обладающие повышенными защитными свойствами.

Эти факторы не исключают друг друга, а дополняют. Основными легирующими элементами повышающими жаростойкость сталей являются хром, кремний, и алюминий. Ванадий , молибден и вольфрам оказывают отрицательное влияние на жаростойкость сталей и сплавов вследствие образования оксидов с низкими температурами плавления и испарения . Введение этих элементов вызывает образование пористой, рыхлой окалины, которая не обладает защитными свойствами, но в присутствии 20 %Cr влияние молибдена менее заметно.

К жаростойким сталям относятся стали , используемые в энергетическом машиностроении для изготовления котлов , сосудов , паронагревателей , паропровод и др. Эти же стали применяют в химическом и нефтяном машиностроении для работы при повышенных температурах. Рабочие температуры жаростойких сталей достигают 600650С , а давление газовых или жидких сред 2030 МПа. Так, рабочие температуры в паросиловых установках составляют 585 С при давлении 25,5 МПа, а в наиболее мощных установках достигают 650 С и 31,5 МПа. Детали таких установок должны работать длительное время без замены , поэтому основным требованием является заданное значение длительной прочности и сопротивление ползучести за весь ресурс эксплуатации.

Жаростойкие стали делятся на три класса – ферритные (08Х17Т,10Х25Т,15Х25Т), аустенитные (12Х18Н10Т,30Х13Н7С2, 20Х23Н18, 20Х25Н2С2,Х20Н80) и мартенситные ( 15Х5, 15Х5ВФ, 15Х6СЮ, 25Х8ВФ,40Х9С2, 40Х10С2М).