Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Перспективные направления в создании коррозионностойких материалов

Конструкционные материалы при эксплуатации в коррозионной среде должны обладать не только определенными механическими свойствами, но также высокой коррозионной стойкостью. Процессу коррозии наиболее подвержены металлы и сплавы, что объясняется их большой химической активностью и высокой электропроводимостью.

Коррозией металлов называют самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие химического или электрохимического взаимодействия их с окружающей средой. Коррозионно-стойкими называют металлы и сплавы, которые способны сопротивляться коррозионному воздействию среды, т.е. процесс коррозии в них развивается с малой скоростью. Отмечают два вида коррозии: электрохимическую и химическую.

Электрохимическая коррозия развивается в жидких электролитах: влажных атмосфере и почве; морской и речной воде; водных растворах солей, щелочей и кислот. При электрохимической коррозии устанавливается коррозионный ток и происходит растворение металла вследствие электрохимического взаимодействия с электролитом.

Поверхность металла в электролите электрохимически неоднородна, что приводит к образованию микрогальванического коррозионного элемента. На одних участках поверхности, называемых анодами, идет реакция в направлении ионизации металла, на других, называемых катодами, - реакция восстановления атомов водорода и кислорода.

Фазовый состав и структура при одном и том же химическом составе сплава влияют на все перечисленные электрохимические параметры.

Однофазные структуры более коррозионно стойки, нежели многофазные, так как анодами в них являются дефектные участки кристаллов: высоко- и малоугловые границы, дислокации, электродный потенциал которых занижен. При коррозии разрушаются лишь анодные участки. Площадь анодов в металлах и в однофазных сплавах невелика. Это уменьшает ток и скорость коррозии; мелкокристаллический поликристалл корродирует быстрее, чем крупнокристаллический, и тем более монокристалл. Этим же объясняется повышенная коррозионная стойкость однофазных закаленных сталей и дюралюминия по сравнению с отожженными и отпущенными многофазными структурами, в которых площадь анодной фазы велика. В углеродистых сталях наименьшей коррозионной стойкостью обладает троостит.

В зависимости от условий, в которых идет процесс коррозии, электрохимическую коррозию называют газовой, атмосферной, морской, почвенной, кислотной, щелочной. IIo характеру разрушения различают равномерную, точечную, щелевую и межкристаллитную коррозию.

Существует ряд способов оценки коррозионной стойкости. В качестве критерия оценки коррозионной стойкости выбирают: К_Г - глубинный показатель, который характеризует скорость увеличения глубины повреждения и определяется в мм/год; К_М - массовый показатель, показывающий потерю массы на единицу площади за единицу времени, г/м²час. Между ними существует зависимость:

_Г =8,76К_М /, (1)

где - удельный вес сплава.

Различают нержавеющие и коррозионно-стойкие стали. Нержавеющие - работают во влажной атмосфере и слабоагрессивных водных растворах (пресная и морская вода). Коррозионно-стойкие - обладают коррозионной стойкостью в сильно агрессивных средах.

Если материал коррозионно-стойкий, то в нем должны происходить механизмы пассивации - процесс повышения электрохимического потенциала материала и, соответственно, уменьшения скорости растворения анодных участков (торможение анодных процессов). Пассивация объясняется образованием тонкой и плотной защитной оксидной пленки.

Коррозионно-стойкие непассивирующиеся металлы и сплавы. Электроположительные металлы Au, Pt, Ag, Cu, а также Sn и Pb, потенциал которых имеет небольшие электроотрицательные значения, обладают коррозионной стойкостью во многих средах. Au, Pt, Ag имеют коррозионную стойкость во всех средах, кроме некоторых концентрированных окисляющих кислот. Cu, Sn, Pb используют во влажной атмосфере, морской воде и многих органических кислотах.

Латуни коррозионно-стойки при равномерной коррозии, но склонны к коррозионному растрескиванию во влажной атмосфере (в особенности при наличии сернистых газов), поэтому после их обработки давлением необходим отпуск для устранения внутренних напряжений. При большом содержании цинка латуни подвержены еще одному виду коррозионного разрушения - избирательному поверхностному электрохимическому растворению электроотрицательного цинка.

Все медные сплавы коррозионно-стойки во многих органических кислотах. Однако ионы меди, появляющиеся в электролите в результате ее электрохимического растворения, токсичны. В связи с этим при использовании меди и ее сплавов в пищевой промышленности поверхность покрывают оловом, серебром или золотом.

Бронзы и латуни не подвержены кавитационной коррозии, разрушающей подводную часть быстроходных речных и морских судов; сохраняют высокий предел выносливости в речной и морской воде. Подводная часть судов и морских сооружений не обрастает морскими организмами из-за токсичности меди. Все это способствует широкому применению медных сплавов в судостроении.

Коррозионно-стойкие пассивирующиеся металлы и сплавы. Несмотря на большой отрицательный обратимый электродный потенциал металла вследствие большой анодной поляризации PA в коррозионном элементе устанавливается небольшой коррозионный ток, и металл разрушается с очень малой скоростью. Пассивное состояние связывают с образованием на поверхности защитных пленок.

Способностью переходить в пассивное состояние обладают многие технические металлы. Для большинства металлов пассивность наступает в окислительных (кислородосодержащих) средах и даже самопроизвольно на воздухе.

Наибольшей склонностью к самопассивированию на воздухе обладают Ti, Al и Cr. Пассивное состояние в них сохраняется во многих средах, но исчезает в средах, содержащих мало кислорода и много ионов хлора (влажная плохо аэрируемая почва, морская вода, неокисляющие кислоты).

Тi в пассивированном состоянии по своей коррозионной стойкости уступает только золоту и платине. В отличие от остальных металлов он сохраняет пассивность во влажной атмосфере даже при нагреве, в неокислительных, окислительных и органических кислотах, в морской воде, а также в горячих щелочах. Тi обладает коррозионной стойкостью в морской воде в условиях, вызывающих даже у медных сплавов кавитационную коррозию. Титановые сплавы сохраняют высокую коррозионную стойкость титана.

Высокая коррозионная стойкость Al во влажной атмосфере, окислительных и органических кислотах связана с переходом в пассивное состояние. Однако в щелочах он корродирует с большой скоростью, а в морской воде, кроме этого, подвержен коррозионному растрескиванию. Все примеси и легирующие элементы алюминиевых сплавов уменьшают поляризуемость и, тем самым, ухудшают коррозионную стойкость. Наиболее опасны, так как устраняют пассивность, электроположительные металлы. Присутствие железа и меди в десятых долях процента заметно ухудшает коррозионную стойкость алюминия. Сплавы, содержащие до 5% Cu - дюралюминий, высокопрочный сплав с цинком - В95 и сложные силумины АЛЗ, АЛ6, АЛ32, жаропрочные сплавы АК4 по коррозионной стойкости значительно уступают чистому алюминию.

Аl и его сплавы чувствительны к контактной коррозии. При контакте с более электроположительными металлами Fe, Ni, Cu алюминий является анодом и разрушается. Для защиты алюминия стальные детали (болты) покрывают кадмием или цинком. Кадмий имеет такой же потенциал, как пассивированный алюминий, потенциал цинка более отрицателен. Алюминиевые сплавы, легированные медью, подвержены межкристаллитной коррозии. Для защиты от такой коррозии сплавы дополнительно легируют магнием, а листовые полуфабрикаты плакируют чистым алюминием.

Металлы, склонные к пассивированию, используют как легирующие элементы в сплавах (Al, Cr, Ni, Ti, W, Mo). При определенном их содержании сплав приобретает склонность к пассивированию. Примером этому являются хромистые, хромоникелевые и хромомарганцевые коррозионно-стойкие стали.

Структура и свойства хромистых сталей зависят от количества хрома и углерода. Все хромистые стали, в которых хрома более 12,5%, коррозионно-стойкие. При содержании хрома 13,17 и 25% стали являются не только коррозионно-стойкими, но и жаростойкими. Стали, содержащие 13% Cr, при нагреве и охлаждении претерпевают фазовое превращение и поэтому могут упрочняться при помощи термической обработки, не теряя коррозионной стойкости. Прочность после закалки и отпуска тем больше, чем больше в стали углерода. При отпуске обеднение твердого раствора хромом небольшое, поэтому коррозионная стойкость остается высокой.

Электрохимический потенциал Fe повышают более электроположительные элементы: Cu, Pd, Pt, Au, Ag.

Mn и Ni позволяют получить в сочетании с Cr аустенитную структуру. Особенность Mn в том, что любое его количество не может обеспечить полностью аустенитную структуру (в отличие от Ni), если содержание Cr превышает 15%.

Mo, V, Ti, Nb связывают углерод в карбиды, понижают его термодинамическую активность и затрудняют МКК. Обеспечивают мелкозернистую структуру.

Mo - образует пассивные защитные пленки (особенно в растворах хлористых солей). Вводится в сплавы, работающие в концентрированных кислотах (Н₂SO₄ и др.); против язвенной коррозии в морской воде и т.д.

Наибольшим сопротивлением коррозии обладают твердые растворы - аустенит, феррит и мартенсит.

Межкристаллитная коррозия (МКК)

Межкристаллитная коррозия - хрупкое коррозионное разрушение по границам зерен, возникающее в результате структурных превращений при эксплуатации.

Причины МКК: 1) выделение по границам зерен фаз, богатых основными элементами, обеспечивающими коррозионную стойкость, например, при нагреве закаленной стали аустенит распадается с выделением по границам мелкодисперсных карбидов хрома, в результате чего границы обедняются хромом. При сплошном обеднении границы становятся анодами. Коррозионное разрушение приобретает опасный межкристаллитный характер. Склонность к межкристаллитной коррозии в аустенитных сталях появляется после нагрева при определенных температурах и выдержках в процессе обработки или в условиях эксплуатации; 2) коррозия, связанная с низкой химической стойкостью выделяющихся по границам зерен фаз; 3) коррозия, вызванная сегрегациями по границам зерен элементов, снижающих стойкость основы в данной среде (Sb, As). B, P, Si образуют сегрегации на границах зерен и резко повышают склонность сталей к МКК (достаточно 0,0015% В, 0,8% Si, 0,06% Р для проявления МКК).

Легирование стали некарбидообразующими элементами: Co, Ni, Si, Cu способствует развитию МКК, т.к. эти элементы повышают термодинамическую активность углерода. Напротив, присутствие карбидообразующих элементов способствует понижению термодинамической активности углерода и МКК затрудняется.

Одним из направлений понижения склонности сталей к МКК является снижение в них содержания углерода и азота (до 0,02% С), присутствие которых опасно в твердом растворе, но это сложно. Поэтому все способы борьбы с появлением склонности к межкристаллитной коррозии направлены на предотвращение выделений хрома из аустенита. С этой целью в стали вводят более сильный карбидо- или нитридообразующий элемент, который связывает весь углерод и азот в карбиды и карбонитриды, а хром остается в твердом растворе и обеспечивает достаточную пассивность металла против анодного растворения. К таким элементам относятся Ti и Nb, содержание которых должно более чем в 5 и 10 раз, соответственно, превышать содержание углерода.

Для сталей, которые не стабилизированы Ti или Nb, существует два способа термообработки, способствующей резкому снижению или полному исключению склонности к МКК. 1. Для аустенитных сталей осуществляется нагрев до 1100С и резкое охлаждение в воде. Нагрев обеспечивает растворение рано выделившихся карбидов при неблагоприятных условиях (прокатка, сварка), а ускоренное охлаждение подавляет их повторное выделение и хром остается в твердом растворе, обеспечивая коррозионную стойкость стали. 2. Если сталь подвержена короблению, то проводят стабилизирующий отжиг. Для аустенитных сталей при температуре 870-900С. Цель термообработки - обеспечить коагуляцию карбидов, частичное растворение их в аустените. Тогда карбиды не образуют цепочку, а изолированы друг от друга и склонность к МКК снижается.

Ферритные стали в большей степени подвержены МКК. При этом в отличие от аустенитных сталей, закалка от 1100С не приводит к подавлению МКК. В ферритных сталях диффузия углерода протекает быстрее, чем в аустенитных и охлаждения в воде недостаточно, чтобы исключить образование карбидов по границам зерен. Нагрев на 1100С приводит к очень сильному росту аустенитного зерна. Главная борьба с МКК в ферритных сталях: существенное снижение углерода и азота до 0,015% (суперферриты) и введение Ti, Nb, связывающих и выводящих C, N из твердого раствора, оставляя хром в нем.

Коррозионное растрескивание

Коррозионное растрескивание - коррозионное разрушение от электрохимического воздействия среды и напряжений растяжения, возникающих при механической обработке металла либо в результате наводороживания при обработке и эксплуатации.

Причины коррозионного растрескивания:

1) фактор действия самой среды. Может происходить анодное растворение стали в устье трещины - происходит усиление ее развития;

2) происходит адсорбция водорода в металл из коррозионной среды (где есть напряжение) и, как следствие, водородное охрупчивание.

Главная борьба - проведение термической обработки для снятия напряжений в стали - низкотемпературный отжиг.

Коррозионная усталость

Коррозионная усталость - коррозионное разрушение под влиянием циклических нагрузок и электрохимического воздействия среды. Предел выносливости металлов в коррозионной среде уменьшается, так как под влиянием напряжений растяжения в корне трещины возникает активный анод. Дальнейший рост трещины происходит от внешней нагрузки, а также вследствие электрохимического растворения металла в корне трещины.

Механизмы разрушения те же, что и при коррозионном растрескивании. Наибольшим сопротивлением этим видам разрушения обладают ферритные и ферритно-аустенитные стали. Стали аустенитного, мартенситного, переходного классов обладают существенно более низким сопротивлением этим видам разрушения. Когда необходимо использовать аустенитные стали, существенно повышают% Ni (от 10 до 40%).

Коррозия - фактор, усиленный напряжением. Поэтому одним из направлений борьбы является проявление низкотемпературного отжига при температурах 500-650С. Для снижения склонности к коррозионной усталости добавляют ингибиторы, которые уменьшают агрессивность среды.

Коррозионно-стойкие стали мартенситного и мартенситно-ферритного классов

Стали мартенситного класса: 20Х13, 30Х13, 40Х13, 95Х18. Чем больше в стали углерода, тем выше твердость, получаемая после закалки и тем больше нужно сталь легировать хромом, чтобы обеспечить требуемую коррозионную стойкость: 0,15% С - 12-14% Cr; 0,2-0,4% C - 13-15% Cr; 0,6-1% C - 14-16% Cr.

Термическая обработка сталей мартенситного класса заключается в закалке и отпуске на заданную твердость. Температура их аустенитизации 950-1050 С при этом не полностью растворяются карбиды хрома: Cr₂₃C₆, (Fe, Cr)₂₃C₆, (Fe, Cr)₇C₃. Cтали закаливают в масле или растворах, заменяющих масло, чтобы исключить при охлаждении на воздухе выделение карбидов по границам зерен, охрупчивающих сталь. После закалки проводят отпуск - для сталей, содержащих 0,2% С - при температуре 650-700 С. При этом обеспечивается умеренная прочность, повышенная пластичность и достаточная коррозионная стойкость. Сталь 20Х13 используется как конструкционный материал. Она хорошо сваривается, в отожженном состоянии пластична, имеет повышенную ударную вязкость и может подвергаться холодной обработке давлением.

Отпуск в интервале 480-520 С сильно снижает коррозионную стойкость из-за распада мартенсита с образованием троостита (смесь феррита и очень дисперсных карбидов). Карбидов очень много, образуются гальванические пары и, следовательно, резко возрастает интенсивность коррозии. На коррозионную стойкость не влияет отпуск в интервале 200-400 С и 700-720 С.

Стали 30Х13 и 40Х13 используют как инструментальные. После закалки их подвергают низкому отпуску (200 С), чтобы обеспечить высокую твердость 52-56 HRC. Сталь 40Х13 склонна к вторичному твердению при отпуске в интервале температур 500-550 С. Стали 30X13 и 40Х13 менее пластичны, чем 20Х13, поэтому подвергаются только горячей обработке давлением. При сварке эти стали могут давать трещины. Они пригодны для изготовления хирургического и бытового режущего инструмента.

Высокоуглеродистая сталь 95Х18 применяется в качестве коррозионно-стойкой для шарикоподшипников. Ее подвергают закалке от 1010-1065 С в масло (или на воздухе) и отпуску при 150-350 С на твердость HRC60. В ряде работ показано, что сталь 95Х18 обладает высокой абразивной износостойкостью при условии получения в ней 80% метастабильного аустенита. Это достигается повышением температуры нагрева под закалку до 1150-1160 С.

10Х13, 12Х13 - стали мартенситно-ферритного класса, сталь 08Х13 - ферритно-мартенситного класса. Термическая обработка: закалка + высокий отпуск при температурах 700-720 С. Стали хорошо свариваются, в отожженном состоянии пластичны, имеют повышенную ударную вязкость и могут подвергаться холодной обработке давлением. Сталь 12Х13 используют в изделиях, изготовляемых штамповкой и сваркой: лопатки гидравлических турбин, емкости, арматура.

Стали ферритного класса

Стали, содержащие 17 и выше (до 30%) хрома и 0,15% углерода, относятся к чисто ферритным: 08Х18, 12Х17, 15Х25Т. Они хорошо сопротивляются коррозии в азотной кислоте и в горячих концентрированных растворах щелочей. Эти стали имеют наибольшую стойкость к коррозии под напряжением. Ферритные стали склонны к охрупчиванию. Нагрев до 850-900 С даже при кратковременных выдержках приводит к значительному росту зерна, что существенно повышает порог хладноломкости. Этому способствует повышение содержание углерода и азота, которые концентрируются по границам зерен. Сильно охрупчивают ферритные стали кислород и фосфор, в меньшей степени - сера, кремний и марганец.

В связи с этим проблема уменьшения примесей в ферритных сталях является весьма важной. В последние годы разработаны ферритные стали с суммарным содержанием углерода и азота менее 0,02%. Дополнительно для связывания углерода и азота вводят титан и ниобий. В результате существенно снижается склонность к росту зерна при нагреве. Примером таких сталей является сталь 015Х18М2Б. Их называют суперферритами.

Охрупчивание ферритных сталей происходит также после их нагрева и выдержки при 450-500 С. Это явление называется «475-градусная хрупкость». Она обусловлена возникновением в приграничных участках зерен упорядоченного -твердого раствора, связанного с образованием сверхструктуры Fe₃Cr, а при длительных выдержках - расслоением -твердого раствора на упорядоченные и неупорядоченные участки. Чтобы избежать охрупчивания, стали следует нагревать выше 520 С и быстро охлаждать в диапазоне опасного интервала температур.

Нагрев в интервале 550-800 С и длительная выдержка в нем вызывают охрупчивание ферритных сталей из-за образования в структуре хрупкой -фазы (FeCr). Для того чтобы растворить -фазу, необходимо нагреть сталь до 800-900С с выдержкой 1 ч, а затем охладить в воде, чтобы исключить попадание при медленном охлаждении в опасный температурный интервал.

Существенным недостатком сталей ферритного класса является их склонность к МКК. Она возникает по границам ферритных зерен и обусловлена выделением на них карбида или карбонитрида типа (Fe, Cr)₂₃(C, N)₆. В результате приграничные объемы зерна обедняются хромом и быстро корродируют. Для борьбы с МКК снижают содержание С и N в стали до 0,010-0,015%, вводят Ti, Nb.

Оптимальное сочетание свойств в ферритных сталях достигается в результате отжига при 740-800С. Для стабилизированных Ti сталей целесообразна нормализация от 860-1000С.

Аустенитные стали

Широкое применение в промышленности нашли стали аустенитного класса.

Хромоникелевые коррозионно-стойкие сжали аустенитного класса используют в тех же средах, что хромистые стали, но и при нагреве. В малоподвижной морской воде эти стали подвержены точечной коррозии, которую устраняет дополнительное легирование молибденом (04Х18Н10, 08Х18Н10, 12Х18Н10Т, 17Х18Н9, 10Х17Н13М2Т).

В присутствии водяного пара и при больших давлениях и повышенных температурах хромоникелевые стали подвержены коррозионному растрескиванию. Большим достоинством хромоникелевых сталей аустенитного класса является хорошая технологичность в отношении обработки давлением и сварки, что определило возможность использования их как конструкционного материала.

Структура хромоникелевых сталей зависит от содержания углерода, хрома и никеля. Сталь с содержанием углерода 0,1% в результате медленного охлаждения приобретает многофазную структуру аустенита с небольшим количеством феррита и карбидов (А + Ф + К). Такая многофазная структура не обеспечивает хорошей коррозионной стойкости и пластичности.

И то, и другое можно получить закалкой стали из однофазной аустенитной области. Быстрое охлаждение в воде фиксирует структуру, которая была при нагреве, так как полиморфное превращение не успевает пройти, а избыточные фазы не выделяются.

Однофазное закаленное состояние, при котором весь хром находится в твердом растворе, обеспечивает стали максимальную коррозионную стойкость в окислительных средах. Такая структура придает сталям наилучшую пластичность (_В = 500-600 МПа; =35-45%), что позволяет подвергать их холодной пластической деформации, в процессе которой они хорошо наклепываются и упрочняются, несколько теряя при этом в коррозионной стойкости.

При нагреве закаленной стали аустенит распадается с выделением по границам мелкодисперсных карбидов хрома, в результате чего границы обедняются хромом. При сплошном обеднении границы становятся анодами. Коррозионное разрушение приобретает опасный межкристаллитный характер. Склонность к межкристаллитной коррозии в аустенитных сталях появляется после нагрева при определенных температурах и выдержках в процессе обработки или в условиях эксплуатации.

Все способы борьбы с появлением склонности к межкристаллитной коррозии направлены на предотвращение выделений хрома из аустенита. С этой целью уменьшают содержание углерода в стали либо вводят более сильный карбидообразующий элемент, который связывает весь углерод в карбид, а хром остается в твердом растворе. К таким элементам относятся титан и ниобий.

Более дешевыми являются коррозионно-стойкие аустенитные стали, в которых дефицитный никель частично или полностью заменен марганцем и азотом (10Х14Г14Н4Т, 12Х17Г9АН4). В результате закалки они приобретают однофазную аустенитную структуру и не уступают по коррозионной стойкости хромоникелевым сталям в средах слабой агрессивности.

Для аустенитных сталей осуществляется нагрев до 1100 С и резкое охлаждение в воде. Нагрев обеспечивает растворение рано выделившихся карбидов при неблагоприятных условиях (прокатка, сварка), а ускоренное охлаждение подавляет их повторное выделение и хром остается в твердом растворе, обеспечивая коррозионную стойкость стали. Если сталь подвержена короблению, то проводят стабилизирующий отжиг при температуре 850-950 С. Цель термообработки - обеспечить коагуляцию карбидов, частичное растворение их в аустените. Тогда карбиды не образуют цепочку, а изолированы друг от друга и склонность к МКК снижается.

Кроме термообработки аустенитные стали подвергают ХПД для повышения прочности. При деформации происходит наклеп аустенита и образование мартенситных фаз, вследствие чего сильно повышаются прочностные характеристики. При ХПД с обжатием 50% _Т повышается с 250 до 950-1000 МПа. Затем проводят отжиг при 350-400 С.

Ферритно-аустенитные стали

Ферритно-аустенитные стали имеют ряд преимуществ по сравнению с аустенитными и ферритными сталями. Перед аустенитными сталями: 1) значительно дешевле, т.к. содержат меньше Ni; 2) обладают более высокими прочностными характеристиками (границы между ферритом и аустенитом являются дополнительным препятствием на пути движущихся дислокаций); 3) менее склонны к МКК (большая протяженность границ зерен, не образуется сплошная сетка карбидов); 4) обладают коррозионной стойкостью в азотной и пищевых кислотах. Перед ферритными сталями: 1) меньшая хрупкость, т.к. содержат аустенит, но в них также проявляется 475-градусная хрупкость и они склонны к образованию -фазы; 2) менее склонны к МКК; 3) менее склонны к росту зерна, порог хладноломкости в этих сталях ниже, чем у ферритных.

Однако эти стали, имея свои достоинства, уступают аустенитным сталям по пластическим характеристикам, по сопротивлению хрупкому разрушению при низких температурах, по коррозионной стойкости, т.к. содержат меньше Ni.

Примером таких сталей являются: 09Х21Н6М2Т, 09Х22Н5Т, 08Х20Н6МД2Т, 10Х25Н6Т, 10Х25Г6ФТ и др. Термообработка их включает закалку от 950-1000 С и кратковременный отпуск при 450 С. Если требуется проведение отжига для снятия напряжений, то его проводят при 550-850 С. Время выдержки должно быть меньше, чем время сигматизации и выделения карбидов.

Для повышения свойств ферритно-аустенитных сталей уменьшают в них содержание углерода и азота в сумме до 0,025%.

Аустенитно-мартенситные стали

Особенностью аустенитно-мартенситных сталей является то, что в них пытаются сочетать пластичность аустенитных и прочность мартенситных сталей. Это хромо-никелевые стали типа 08Х15Н9Ю, 09Х17Н7Ю и др. Состав их подбирают с таким расчетом, чтобы мартенситная точка находилась вблизи комнатной температуры ( 20 30 С), чтобы при закалке образовывалось не более 15% мартенсита и была преимущественно аустенитная структура.

Чтобы придать сталям прочность, проводят термическую обработку по двум схемам:

1. После закалки от 1050 С производят обработку холодом при -80С с выдержкой 1-2 часа. После данной обработки в структуре образуется 60-70% мартенсита, но он является низкоуглеродистым и не обладает высокой прочностью, поэтому делают отпуск при 450-550 С. В результате в мартенсите выделяются интерметаллиды NiAl, Ni₃Al, что обеспечивает высокие прочностные характеристики: _В = 1100-1200 МПа, _Т = 900-950 МПа, = 10-12%, = 45-55% и KCU = 0,5-0,6 МДж/м².

2. После закалки проводят отжиг при 700-750 С (мартенсита в структуре мало). Происходит выделение карбидов и интерметаллидов и мартенситная точка повышается (разбалансировка) и прочностные характеристики повышаются.

В целях экономии дефицитных легирующих элементов и повышения технологичности высокопрочных материалов разработаны новые безникелевые высокопрочные коррозионно-стойкие стали на Fе-Cr-Mn-основе (10Х14, 10Х14Г2, 10Х14Г4, 15Х14Г7, 17Х13Г7С, 10Х14АГ6 (М), 10Х14АГ6Ф, 10Х14АГ6МФ и др.) и способы управления их свойствами. Основной эффект формирования высокопрочного состояния в сочетании с достаточными пластичностью и вязкостью в разработанных сталях достигается путем получения оптимальной структуры, состоящей из мартенсита и метастабильного аустенита. Количественное соотношение между мартенситом и аустенитом, а также степень стабильности последнего регулируется легированием и обработкой. При нагружении сталей в процессе эксплуатации метастабильный аустенит превращается в мартенсит, что вызывает дополнительное упрочнение и, одновременно, релаксацию микронапряжений, что предотвращает хрупкое разрушение. В связи с этим уровень механических и эксплуатационных свойств определяется не только исходным (после обработки) количеством мартенсита и аустенита, но и кинетикой превращения аустенита в мартенсит при нагружении в процессе испытаний или эксплуатации. Для каждой детали в зависимости от конкретных эксплуатационных условий необходимо наличие в структуре некоторого количества метастабильного аустенита с определенной степенью стабильности. Это должно осуществляться подбором легирующих элементов и режимов термической обработки сталей.

Очень перспективными являются стали, в которых вместе с марганцем вводят сверхравновесный азот в количестве 1% при повышенных давлениях, ионноплазменной обработке. Например, 10Х17АГ12, 10Х14АГ12М, 08Х18АГ18 (стали содержат 0,3% N).

Перспективные направления в создании коррозионно-стойких материалов

Разработаны стали, в которых вместе с марганцем вводят сверхравновесный азот в количестве 1% при повышенных давлениях и ионноплазменной обработке. Примером может служить новая сталь 08Х18АГ18.

В целях экономии дефицитных легирующих элементов и повышения технологичности высокопрочных материалов разработаны Л.С. Малиновым и А.П. Чейляхом новые безникелевые высокопрочные коррозионно-стойкие стали на Fе-Сг-Мn - основе (10Х14Г2, 10Х14Г4, 15Х14Г7, 17Х13Г7С, 10Х14АГ6 (М), 10Х14АГ6Ф, 10Х14АГ6МФ и др.) и способы управления их свойствами.

Основной эффект формирования высокопрочного состояния в сочетании с достаточными пластичностью и вязкостью в разработанных сталях достигается путем получения оптимальной структуры, состоящей из мартенсита и метастабильного аустенита. Количественное соотношение между мартенситом и аустенитом, а также степень стабильности последнего регулируется легированием и обработкой. При нагружении сталей в процессе эксплуатации метастабильный аустенит превращается в мартенсит, что вызывает дополнительное упрочнение и, одновременно, релаксацию микронапряжений, что предотвращает хрупкое разрушение. В связи с этим уровень механических и эксплуатационных свойств определяется не только исходным (после обработки) количеством мартенсита и аустенита, но и кинетикой превращения аустенита в мартенсит при нагружении в процессе испытаний или эксплуатации. Для каждой детали в зависимости от конкретных эксплуатационных условий необходимо наличие в структуре некоторого количества метастабильного аустенита с определенной степенью стабильности. Это должно осуществляться подбором легирующих элементов и режимов термической обработки сталей.

Среди неметаллических коррозионностойких материалов неорганического происхождения можно отметить графит, алюмосиликаты, чистый кремнезём. Кварцевое стекло, в частности, стойко во многих средах и широко применяется для изготовления химической посуды. Для футеровки металлических корпусов аппаратов в производстве минеральных кислот широко применяют различные природные материалы (горные породы андезит, базальт и др.). Стойки во многих водных средах и ряд органических материалов: фторопласты (тефлон), полиэтилен, полистирол и т.д. Однако все они применимы при температурах не свыше 100-200°С.

Коррозионную стойкость материалов можно повысить, если нанести на них защитные покрытия. Для защиты от атмосферной коррозии широко применяют цинкование, анодирование, алитирование (покрытие алюминием), никелирование, хромирование, эмалирование.

Одним из лучших способов зашиты от коррозии считаются газопламенная и электродуговая металлизация распылением.

Процесс металлизации распылением характеризуется непрерывным плавлением металла покрытия, распылением его на мельчайшие частицы и нанесением на поверхность. Осевшие частицы деформируются и образуют металлизационное покрытие со слоистым строением. При этом температура изделия в ходе напыления не превышает 120°С.

Для металлизации обычно используются такие материалы, как цинк, алюминий и их сплавы. Цинк устойчив к ржавлению в морской воде. Наибольшее влияние на скорость его коррозии может оказывать большое содержание оксидов серы, хлора и паров соляной кислоты в атмосфере городов.

Немаловажным фактором считают протекторные свойства металлизационных покрытий из алюминия, цинка и их сплавов. Поврежденное место на покрытии за счет гальванического эффекта затягивается ионами алюминия или цинка, предохраняя материал подложки. Наиболее активным с точки зрения протекторной защиты считается сплав алюминия и магния (А1Мg₅).

По результатам сравнительного исследования эффективности 47 различных систем защитных покрытий только алюминиевое и цинковое покрытия, нанесенные методом газотермического напыления, отработали 20 лет без повторного нанесения и сохранили более 99,5% сплошности. Оказалось, что сталь не подверглась коррозии ни в одном из тех мест, где были возможны качественная подготовка поверхности и нанесение металлизационного покрытия.

Все перечисленные факторы позволяют считать металлизационные покрытия наилучшим выбором для ответственных металлоконструкций, подверженных коррозионному воздействию, по соотношению цена / качество.

Перечень ссылок

1. Арзамасов Б.Н. Материаловедение / Б.Н. Арзамасов, И.И. Сидорин, Г.Ф. Косолапов и др.; под ред. Б.Н. Арзамасова. - М.: Машиностроение, 1986. - 384 с.

2. Лахтин Ю.М. Материаловедение / Ю.М. Лахтин, В.П. Леонтьева. - М.: Машиностроение, 1990. - 526 с.

3. Геллер Ю.А. Материаловедение / Ю.А. Геллер, А.Г. Рахштадт. - М.: Металлургия, 1989. - 455 с.

4. Мозберг Р.К. Материаловедение / Р.К. Мозберг. - М.: Высшая школа, 1991. - 448 с.

5. Новиков И.И. Теория термической обработки металлов / И.И. Новиков. - М.: Металлургия, 1986. -485 с.

6. Гольдштейн М.И. Специальные стали / М.И. Гольдштейн, С.В. Грачев, Ю.Г. Векслер. - М.: МИСИС, 1999. - 408 с.

7. Малинов Л.С. Структура и свойства Fe-Cr-Mn-сталей после закалки с предварительным нагревом в межкритическом интервале температур Л.С. Малинов, А.П. Чейлях Металловедение и термическая обработка металлов. - 1990. - №6. - С. 45-47.

Размещено на Allbest.ru