22). Коррозионно-стойкие жаростойкие стали и сплавы

Коррозионная стойкость стали. Коррозией называют разрушения металлов под дей-ствием окружающей среды. При этом часто металлы покрываются продуктами коррозии (ржавчиной). В результате воздействия внешней среды механические свойства металлов резко ухудшаются, иногда даже при отсутствии видимого изменения внешнего вида поверх-ности.

Различают химическую коррозию и электрохимическую коррозию.

Механизм электрохимической коррозии сводится к следующему, Если электролит поместить два соприкасающихся различных металла, образуется гальванический элемент, при этом металл, который легче, отдает электроны, служит анодом, а другой - катодом. В процессе работы гальванического элемента анод разрушается. Аналогично микрогальвани-ческие элементы возникают между различными фазами и даже в чистых металлах, где роль анода играют границы зерен и другие дефектные участки, а роль катода - тело зерна.

Существует несколько видов электрохимической коррозии:

• равномерная коррозия, протекающая примерно с одинаковой скоростью по всей поверх-ности;

• локальная коррозия, которая в свою очередь подразделяется на точечную, пятнистую и с язвами;

• интеркристаллитная коррозия, распространяющая по границам зерен вследствие более низкого их электрохимического потенциала. Она опасна тем, что без заметных внешних признаков быстро проникает по границам зерен вглубь, резко снижая механические свойства.

• коррозия под напряжением, которая возникает при одновременном воздействии коррози-онной среды и напряжений растяжения.

Сталь устойчивую к газовой коррозии при высоких температурах называют окалиностойкой (жаростойкой)

Стали, устойчивые к электрохимической, химической, межкристаллитной и другими видам коррозии, называю коррозионно-стойкими (нержавеющими ).

Повышение устойчивости стали к коррозии достигается введением в нее элементов, образующих на поверхности защитные пленки, прочно связанные с основным металлом и предупреждающие контакт между сталью и наружной агрессивной средой, а также повы-шающей электрохимический потенциал стали в разных агрессивных средах.

Жаростойкие стали сплавы. Повышение окалиностойкости достигается введение в сталь главным образом хрома, а также алюминия или кремния, т.е. элементов, находящихся в твердом растворе и образующих в процессе нагрева защитные пленки оксидов (Cr, Fe)2O3, (Al, Fe)2O3. Введение в сталь 5-8 % Cr до 15-17% делает сталь окалиностойкой до 950 - 10000С, а при введении 25 % Cr сталь остается окалиностойкой до 11000С. Легирование ста-лей с 25 % Cr алюминием в количестве 5% повышает окалиностойкость до 13000С. Окали-ностойкость зависит от состава стали, а не от структуры, в связи окалиностойкость фер-ритных и аустенитных сталей при равном количестве хрома практически одинакова.

Для изготовления различного рода высокотемпературных установок, деталей машин, деталей печей и газовых турбин применяют жаростойкие ферритные (12Х17, 15Х25Т) и ау-стенитные (20Х23Н13, 12Х25Н16Г7АР, 36Х18Н25С2) стали, обладающие жаропрочностью.

Коррозионно-стойкие стали. Составы сталей, устойчивых к электрохимической кор-розии, устанавливают в зависимости от среды, для которой они предназначаются. Эти стали можно разделить на два основных класса: хромистые, имеющие после охлаждения на возду-хе ферритную, мартенситно-ферритную (феррита более 10%) или мартенситную структуру, и хромоникелевые, имеющие аустенитную, аустенитно-мартенситную или аустенитно-ферритную (феррита более 10%) структуру.

Таблица 32

Химический состав (по легирующим элементам) и механические свойства (средние)

некоторых коррозийно-стойких сталей

Сталь Содержание основных элементов, % Механические свойства

C Cr Ni Другие

элементы  ,

МПа 2 ,

МПа ,% ,%

Стали мартенситного класса

20Х13 0,16-

0,25 12-14 - - 850 650 15 50

30Х13 0,26-

0,35 12-14 - - 950 700 15 50

40Х13 0,36-

0,45 12-14 - - 1150 900 12 30

Сталь мартенситно-ферритного класса

12Х13 0,09-

0,15 12-14 - - 750 500 20 65

Стали ферритного класса

12Х17 0,12 16-18 - - 520 350 30 75

15Х25Т 0,15 24-27 - 5С-0,9 Ti 540 - 40 70

015Х17Ь2Б 0,015 16,5-18,5 - 1,5-2,0 Mo

0,3-0,5 Nb 450 280 30 60

Стали аустенитного класса

12Х18Н9 0,12 17-19 8-10 - 520 360 30 75

10Х14Г14Н4Т 0,10 13-15 2,5-4,5 5С-0,6 Ti

13-15 Mn 620 280 45 60

10Х14АГ15 0,10 13-15 - 0,15-0,25 N

14-16 Mn 750 300 45 55

10Х17Н13М3Т 0,10 16-18 12-14 5С-0,7 Ti 580 280 40 60

Стали аустенитно-ферритного класса

08Х21Н6М2Т 0,08 20-22 5,5-6,5 1,8-2,5 Mo

0,2-0,4 Ti 750 450 50 55

Стали аустенитно-мартенситно-ферритного класса

09Х15Н8Ю 0,09 14-16 7-9 0,7-1,3 Al 1250 1000 20 50

Стали ферритного, мартенситного и мартенситно-ферритного классов. При введе-ние 12-14 % хрома ее электрохимический потенциал становится положительным и она при-обретает устойчивость против коррозии в атмосфере, морской (пресной) воде ряде слабы растворах кислот, солей и щелочей. Стали данного типа (12Х13) при равновесии относятся к полуферритным, а после закалки в масле или в воздухе с высоких температур имеет струк-туру мартенсит и феррит (ферритно-мартенситная сталь). Стали 20Х13 и 30Х13 в равновес-ном состоянии доэвтектоидные, а 40Х13 - заэвтектоидные, после охлаждения на воздухе имеют структур мартенсит.

Сталь обладает лучшей стойкостью против коррозии только при условии, что весь хром в стали приходится на долю твердого раствора. Только в этом случае он образует на поверхности плотную защитную оксидную пленку (Cr,Fe)2O3. Коррозионная стойкость ста-ли повышается термической обработкой: закалкой и высоким отпуском и созданием шлифо-ванной и полированной поверхности.

Стали аустенитного класса. Эти стали обычно легируют хромом и никелем или марганцем, после охлаждения до нормальной температуры имеют аустенитную структуру. низкий предел текучести, умеренную прочность и хорошую коррозионную стойкость в окислительных средах. Стали парамагнитны.

Высокое сопротивление межкристаллитной коррозии, хорошую пластичность и сва-риваемость имеют низкоуглеродистые аустенитные стали 04Х18Н10 и 03Х18Н12. Стали с пониженным содержанием углерода устойчивы в азотной кислоте и других агрессивных средах и широко используются для изготовления химической аппаратуры. Хромоникелевые коррозионно-стойкие стали дороги и поэтому никель можно частично заменит марганцем.

Стали аустенитно-ферритного класса содержат 18-22% Сr , 2 -6 % Ni и некоторое количество молибдена и титана, Они обладают более высокой прочностью при удовлетворительной пластичности и лучшей сопротивляемости интеркристаллитной коррозии. и коррозионному растрескиванию.

Стали аустенитно-мартенситного класса. Эти стали наряду с хорошей устойчиво-стью против атмосферных коррозии обладают высокими механическими свойствами и хо-рошо свариваются. Механические свойства указанной стали зависят от количества образо-вавшегося мартенсита, которое можно регулировать температурой закалки и обработкой хо-лодом. Если количество мартенсита превысит 40 %, то пластичность стали заметно падает. Большее упрочнение можно достигнуть нагартовкой предварительно закаленной на аустенит стали путем прокатки и волочения. После такой обработки большая часть аустенита превращается в мартенсит деформации. Дальнейшее упрочнение достигается старением.

Коррозионно-стойкие сплавы на железоникелевой и никелевой основе. Аустенитные (аустенитно-ферритные) стали не обеспечивают достаточно высокой коррозионной стойко-сти в таких средах, как серная и соляная кислоты. В этих случаях используются сплавы на железоникелевой основе, имеющие после закалки от 1050 - 11000С и старением при 650 - 7000С структуру аустенит и интерметаллидную ' - фазу типа Ni3(Ti, Al). Сплав предназначен для работы при больших нагрузках растворах серной кислоты. Для работы в азотной кислоте применяют сплав Н70МФ. Наиболее широкое распространение получил сплав ХН65МВ для работы при повышенных температурах во влажном хлоре, соляно кислых и сернокислых средах, хлоридах, смесях кислот и других агрессивных средах.

Никелевые сплавы используются после закалки от 10700С. Структура сплавов - - или - твердый раствор на основе никеля и избыточные карбиды типа М6С и VC (Х70МФ).

Таблица33

Химический состав (по легирующим элементам) и механические свойства

коррозионной стойких сплавов на железоникелевой основах

Сталь Содержание основных элементов, % Механические свойства

Cr Ni Mo Другие элементы   ,%

МПа

04ХН40МДТЮ

Н70МФ

ХН65МВ

14-17

-

14,5-16,5 39-42

Ос-таль-ное

Ос-таль-ное 4,5-6,0

25-27

15 2,5-3,2 Ti

0,77-1,2Al

2,7-3,3Cu

1,4-1,7V

3,0-4,5W 1250

950

1000 750

480

600 35

50

50

Двухслойные стали. для деталей химической аппаратуры, работающих в коррозион-ной среде нашли применение двухслойные стали. Они состоят из основного слоя - низколе-гированной или углеродистой стали и коррозионно-стойкого плакирующего слоя толщиной 1-6 мм из коррозионно-стойких сталей или никелевых сплавов.

14.15. Криогенные стали

Низкие температуры (искусственный холод) широко применяют в промышленности, ракетной и космической технике, в быту. Температуры ниже точки кипения кислорода (-1830С) называют криогенными. Для работы при этих температурах необходимы специаль-ные криогенные стали и сплавы.

Криогенные стали должны обладать достаточной прочностью при нормальной тем-пературе в сочетании с высоким сопротивлением хрупкому разрушению при низких темпе-ратурах. При этом должны обладать высокой коррозионной стойкостью.

В качестве криогенных применяют низкоуглеродистые никелевые стали и стали ау-стенитного класса, несклонные к хладноломкости. Для сварных конструкций, работающих при температуре до - 1960С, используют стали ОН6А, ОН9А. Стали применяют после двой-ной нормализации ( при 9000С и 7900С) и отпуска при 5600С или после закалки вводе от 810 - 8300С и отпуска при 6000С. После такой обработки предел текучести 2 при нормальной температуре составляет 400-450 МПа, а при -1960С - 680-820 МПа (чем больше никеля, тем выше предел текучести). Сопротивление удару при температуре -1960С KCU = 1,0-1,3 МДж/м2 .Из них изготовляются резервуары для хранения и транспортирования сжиженных газов при температуре не ниже -1960С.

Аустенитные криогенные стали делят на три группы.

1. Хромоникелевые аустенитные стали 12Х18Н10Т и 08Х18Н10Т (при -2530С 2 = 600 МПа и KCU = 1 МДж/м2). Высокий запас пластичности 12Х18Н10Т позволяет использо-вать ее после холодной пластической деформации с целью повышения прочности.

2.Сложнолегированные аустенитные стали повышенной прочности 07Х21Г7АН5 и 03Х20Н16АГ6 (при -2530С 2 = 1150-1350 МПа и KCU = 1,0 -1,3 МДж/м2).

3. Аустенитные стали на хромомарганцевой основе 10Х14Г14Н4Ти 03Х13АГ19 как заменители более дорогих хромоникелевых аустенитных сталей. Пластическая деформация может вызвать мартенситные превращения, что снижает сопротивление хрупкому разруше-нию. Аустенитные стали используются после закалки в воде от 1000 - 10500С. При нормаль-ных температурах предел текучести аустенитных сталей не превышает 400-450МПа.