Нержавеющая сталь.

Г.М.Бородулин, Е.И.Мошкевич.

Металлургия, 1973 г.

Служба стали неизбежно связана с коррозией. Как известно, коррозией называется поверхностное разрушение металлов и сплавов вследствие химического или электрохимического воздействия на них внешней среды. По признаку внешней среды различают атмосферную, жидкостную и газовую коррозии.

Состав корродирующих сред и условия коррозии чрезвычайно разнообразны. С дальнейшим развитием технического прогресса следует ожидать еще большего усложнения условий работы деталей и машин.

В результате коррозии уменьшается рабочее сечение металлических деталей, их прочность, теряется герметичность, обтекаемость, форма и другие важнейшие конструктивные свойства узлов и агрегатов. Образующиеся в результате коррозии продукты загрязняют среду, снижают качество продукции, ухудшают пара- . метры работы машин и в ряде случаев могут нарушить их нормальную работу и привести к аварии.

По характеру внешнего проявления различают следующие виды коррозии:

общую, равномерную, коррозию (рис. 1,а), при которой происходит примерно одинаковое разрушение
детали по всей поверхности; местную, или точечную (язвенную), коррозию (рис. 1,б), при которой поражаются лишь отдельные участки поверхности детали (очаги коррозии); межкристаллитную коррозию (рис. 1,в), распространяющуюся по границам кристаллитов (зерен) внутрь металла. Межкристаллитная коррозия обычно трудно обнаруживается при внешнем осмотре изделий. Скрытность и быстрое распространение внутрь детали делают этот вид коррозии наиболее опасным;

4) селективная коррозия, при которой разрушается какая-либо одна структурная составляющая сплава.

По характеру физико-химических явлений взаимодействия металла и среды коррозия может иметь химическую или электрохимическую основу. На рис. 2 показаны кривые окисления (привеса) металла с образованием пленок различной степени защиты. Защитные свойства пленок зависят от их состава, строения, сцепляемости с основным металлом, толщины, отношения объема окисла и металла и ряда других факторов.

Электрохимическая коррозия возникает при контакте разнородных металлов или структурных фаз сплава с электролитом. Знание соотношения потенциалов позволяет установить сравнительную стойкость металлов против коррозии, правильно выбрать защитные металлические покрытия, устанавливать характер коррозии сплавов в зависимости от их структуры. Основой теории электрохимической коррозии технических сплавов является схема действия гальванического элемента. В чистых металлах и сплавах, имеющих однородный твердый раствор, электрохимическая коррозия развивается из-за наличия межкристаллитной прослойки, различной механической напряженности и окисления отдельных зерен. Намного ускоряется коррозия в многофазных сталях и сплавах, особенно если велика разность потенциалов отдельных микросоставляющих.

Обработка, ведущая к гомогенизации структуры, всегда снижает скорость коррозии. В то же время после термообработки, ведущей к распаду пересыщенных растворов, происходит усиление коррозии.

Деталь, находящаяся в механически напряженном состоянии, корродирует сильнее. После пластической деформации в металле появляются межкристаллитные микропоры, снижающие коррозионную стойкость материала. Примером совместного влияния коррозии и механических напряжений является коррозионная усталость, характерная для деталей, работающих в коррозионной среде при знакопеременных нагрузках. Опыты показывают, что изделия с шероховатой поверхностью скорее корродируют, чем детали, прошедшие полировку.

Во всех видах коррозии большую роль играет температура. При электрохимической коррозии с ростом температуры изменяется значение потенциалов, повышается скорость процессов разрушения, изменяется растворимость кислорода в воде.

КОРРОЗИЯ НЕРЖАВЕЮЩИХ СТАЛЕЙ

Нержавеющими называются стали, обладающие высокой устойчивостью против коррозии в атмосферных условиях и некоторых газовых средах, речной и морской воде, растворах солей, щелочей и некоторых кислотах при комнатной и повышенных температурах.

Основным легирующим элементом, обеспечивающим коррозионную стойкость металла, особенно в окислительных средах, является хром. Чистый хром обладает высокой химической стойкостью благодаря образованию на его поверхности защитной окисной пленки.

Хром при добавке его в сталь образует твердые растворы с железом и увеличивает ее коррозионную стойкость, но лишь начиная с содержания 11,7% Сr.

Эта граница также установлена при измерениях потенциалов твердых растворов железо—хром, где резкое изменение потенциала наступает при 12—13% Сr. Чем выше содержание хрома, тем выше коррозионная стойкость сплава в атмосферных условиях и в ряде коррозионных сред.

Другие легирующие элементы, вводимые в сталь, могут улучшать или ухудшать антикоррозионные свойства железохромистого сплава. Например, углерод, связывающий хром в частицы карбидов СГ23С7 п т. п., удаляет его из твердого раствора. Поэтому для сохранения требуемой стойкости против коррозии в сталь нужно ввести больше хрома. Так, при 0,15—0,20% С нужно ввести в железо не менее 13—14% Сr.

Хромистые стали устойчивы только по отношению к кислотам-окислителям, например к азотной кислоте, так как их устойчивость вызвана пассивирующим действием хрома. После термической обработки хромистая сталь хорошо служит в атмосферных условиях и в пресной воде. В морской воде ее стойкость невелика вследствие развития местной коррозии.

Значительно улучшает антикоррозионные свойства нержавеющей стали никель. Железоникелевые аустенитные стали (без хрома) имеют повышенную коррозионную стойкость только в разбавленных растворах серной кислоты и кипящих щелочах. Хромоникелевые стали (в частности, типа Х18Н9) имеют весьма высокие антикоррозионные свойства во многих агрессивных средах. После закалки на аустенит эти стали однородны по структуре, что обеспечивает стойкость также против электрохимической коррозии. Однако в условиях повышенных температур, которые возникают при изготовлении детали или изделия, в этих сталях происходит распад аустенита с выделением по границам зерен богатых хромом карбидов и обеднением границ зерен хромом.

С повышением температуры (от 500 до 800°С), содержания углерода и увеличением длительности выдержки при нагреве распад аустенита увеличивается, что резко ухудшает стойкость стали против межкристаллитной коррозии. С увеличением времени выдержки опасная температурная зона смещается в область более низких температур. В связи с этим хромоникелевые стали типа XI8H9 обязательно используют в изделиях, работающих при невысоких температурах, не допускают их нагрева до опасного температурного интервала или делают повторную закалку на аустенит, снижают содержание углерода в стали и в присадочных материалах при сварке.

Стали этого типа также весьма чувствительны к сере, которая при повышенном содержании образует сульфид никеля, который располагается по границам зерен н резко снижает стойкость к межкристаллитной коррозии. Поэтому в сталях этого класса содержится менее 0,020% S. Для борьбы с межкристаллитной коррозией стали типа Х18Н9 после отпуска па 550° С применяются два способа:

А) снижение содержания углерода до менее 0,02—0,03%, т. е. до предела растворимости углерода в твердом растворе, что обеспечивает однородную структуру во всем диапазоне температур;

б) ввод в сталь элементов-стабилизаторов (титана, ниобия и др.), образующих с углеродом более стойкие карбиды, чем хром, и снижающих содержание углерода в аустените. Эти карбиды с трудом переходят в твердый раствор даже при высоких температурах.