2.1.3 Химический состав и структура сплавов
Металлы высокой степени чистоты часто имеют повышенную коррозионную стойкость. Загрязнения другими металлами или неметаллическими включениями приводят в ряде случаев к значительному снижению коррозионной стойкости.
В таблице 2 приведен пример влияния чистоты алюминия по химическому составу на изменение скорости его коррозии в соляной кислоте.
Таблица 2 — Относительная стойкость алюминия
|
Алюминий, % |
Относительная скорость коррозии |
|
99,998 99,9 99,2 |
1 1000 30000 |
С целью придания железоуглеродистым сплавам коррозионной стойкости в агрессивных средах их легируют Сг, Ni, Mo, Si, Аl и другими элементами.
С точки зрения структурных особенностей все сплавы подразделяются на многофазные (содержат две и более структурных составляющих) и однофазные типа твердый раствор или химическое соединение. Сплавы, представляющие собой химическое соединение не применяются в качестве конструкционных материалов из-за значительной хрупкости, твердости и плохих технологических свойств.
Химическое сопротивление коррозии сплавов зависит от свойств образующихся в сплаве структурных составляющих, от величины поверхности, формы и характера их распределения.
Коррозионная стойкость однофазных сплавов обычно значительно выше, чем у многофазных. Структурные составляющие углеродистой стали, такие как мартенсит, троостит, сорбит, перлит, феррит, обладают разной коррозионной стойкостью в одной и той же агрессивной среде. На рис. 2 показана зависимость скорости коррозии эвтектоидной стали, закаленной и отпущенной при разных температурах с целью получения различных структур, при воздействии 1 % Н2SO4.
В многофазных сплавах скорость коррозии будет определяться как весовым соотношением, так и взаимным расположением фаз, выполняющих роль анода и катода. Если фазы распределены равномерно и доля анодной фазы больше, то коррозия будет сплошной и непродолжительной. При неравномерном распределении фаз и малой доли анодной фазы коррозия будет местной, длительной и идти в глубь, что особенно опасно. Необходимо отметить, что чем мельче зерно, тем меньше коррозия.
1 — мартенсит; 2 — троостит; 3 — сорбит; 4 — перлит
Рисунок 2 — Зависимость скорости коррозии от
структуры стали
В однофазных сплавах типа твердый раствор скорость коррозии находится в прямой зависимости от химического состава сплава, а меняется скачкообразно по правилу порогов устойчивости, разработанному Тамманом. Это правило, называемое также правилом n/8 , гласит, что при легировании менее электроположительного металла более электроположительным (т.е. более благородным) скорость коррозии будет снижаться скачкообразно по мере добавления количества кратного n/8 атомной доли более благородного
металла. При этом равновесный потенциал сплава будет также повышаться ступенчато, приближаясь к потенциалу чистого более благородного металла.
Однако, это не означает, что каждый однофазный сплав при изменении состава имеет все 8 порогов устойчивости. Количество порогов и их значение зависит от природы металла и степени агрессивности среды.
Известно большое количество сплавов с неограниченной взаимной растворимостью, например: сплавы медь—золото, медь—никель, железо—хром, железо—кобальт, хром—титан и др. На рисунке 3 представлена
диаграмма состояния сплава Сu—Аu. По оси абсцисс отложен состав сплава в долях моля. По оси ординат отложена относительная скорость коррозии К1. Из диаграммы следует, что при содержании золота менее 0,5 моль химическая стойкость сплава близка к химической стойкости меди KCu а при содержании золота выше 0,5 моль химическая стойкость сплава приближается к химической стойкости золота KАu. Таким образом, в очень узком пределе изменения концентрации (0,49÷0,5 моль) происходит резкое, скачкообразное изменение химической стойкости сплава. Порог устойчивости зависит от свойств компонентов, образующих сплав, и от агрессивности среды. Наиболее часто граница устойчивости определяется при содержании 2/8 и 4/8 моль благородного компонента в сплаве. Отметим, что границы устойчивости могут наблюдаться лишь в том случае, если один из компонентов твердого раствора в данных условиях обладает весьма высокой, а другой — низкой химической стойкостью.
б
а — с неограниченной растворимостью компонентов, образующих непрерывный ряд твердых веществ; б — изменение химической стойкости в зависимости от концентрации сплава
Рисунок 3 — Зависимость скорости коррозии твердых растворов
медь—золото в крепкой азотной кислоте
Механизм устойчивости связывают с явлением блокирования атомов корродирующего металла атомами более благородного металла. Условием такого блокирования является отсутствие диффузии атомов защищаемого металла, которая может проявиться, например, при нагреве металла.