Жаростойкое легирование металлов

3. 
   Жаростойкое легирование металлов
   

Жаростойкими называют сплавы, обладающие способностью сопро­тивляться химическому воздействию окислительных газов при высоких тем


115




пературах. Если детали машин и аппаратов, используемые при высоких температурах, подвергаются механическому воздействию, то металл должен обладать и жаропрочными свойствами.
При жаростойком легировании на поверхности сплава образуется защитная оксидная пленка легирующего компонента, затрудняющая диффузию реагентов и окисление основного металла. Оксидная пленка легирующего элемента должна быть сплошной,
т. е. ее объем должен быть больше объема металла, из которого она образована. Чтобы препятствовать встречной диффузии ионов металла, электронов и ионов кислорода, оксидная пленка должна иметь высокое электрическое сопротивление. Размер ионов легирующего компонента меньше, чем размер ионов основного металла, что облегчает диффузию легирующего компонента на поверхность сплава, где образуется оксидная пленка. При этом кри­сталлическая решетка легирующего компонента с меньшими параметрами препятствует диффузии основного металла. Оксид легирующего компонента должен иметь высокие температуры плавления и возгонки и не образовывать низкоплавких эвтектик в смеси с другими оксидами. С основным металлом легирующий компонент образует твердый раствор, необходимый для равно­мерного распределения его в металле и создания оксидной пленки на всей поверхности сплава.

3. 
   Классификация коррозионноустойчивых сплавов
   

В зависимости от целей применения и условий эксплуатации коррози­онноустойчивые сплавы классифицируются по трем признакам:

• 
  по составу: сплавы на железной основе, медные, никелевые, цинко­вые, алюминиевые, магниевые, сплавы благородных металлов и др.;
  
• 
  по характеру коррозионной устойчивости: нержавеющие стали, т. е. устойчивые в атмосферных условиях, в водных растворах солей, кислот и оснований; кислотостойкие сплавы - устойчивые в растворах кислот; жаро­стойкие сплавы - устойчивые в газовой атмосфере при высокой температуре; сплавы специальных видов коррозионной устойчивости (эрозионноустойчивые, устойчивые против коррозионного растрескивания и др.);
  
• 
  по структуре: твердые растворы, бинарные сплавы с анодным фоном, бинарные сплавы с катодным фоном, более сложные гетерогенные сплавы.
  

116




В химическом машиностроении используют разные металлы, которые, находясь в контакте, могут изменять свое коррозионное поведение. Для обеспечения надежной работы химической аппаратуры, состоящей из разных металлов, необходимо, чтобы коррозия металлов не изменялась или даже уменьшалась при контакте. Используя пассивационные характеристики металлов в данной коррозионной среде, можно подобрать контактирующие ме­таллы так, чтобы они находились в пассивном состоянии. Коррозионное по­ведение металлов, находящихся в гальваническом контакте, зависит также от соотношения их поверхностей.

3. 
   Коррозионностойкие сплавы на основе железа
   

Среди многих металлов и сплавов, применяемых в качестве конструк­ционных материалов, значительное место занимают сплавы на основе железа. К ним относятся обычные и низколегированные стали, которые используются в слабоагрессивной среде, а также высоколегированные хромистые и хромоникелевые нержавеющие стали, применяемые в более агрессивной среде, чем обычные или низколегированные стали.
Стандартный электродный потенциал железа = - 0,44 В, стационарный потенциал его в 3% растворе хлорида натрия равен - 0,50 В, поэтому железо может корродировать с кислородной и водородной деполяризацией. В нейтральных растворах коррозия железа протекает преимущественно с кислородной деполяризацией. Коррозия железа протекает в несколько стадий:

• 
  первичный анодный процесс
  

Fe - 2е = Fe²⁺;

• 
  взаимодействие катиона железа с гидроксид-ионами
  

Fe²⁺ + 20FT = Fe(OH)₂;

• 
  окисление гидроксида железа (II) кислородом воздуха до гидроксида железа (III) и переход в ржавчину
  

4Fe(OH)₂ + 0₂ + 2Н₂0 = 4Fe(OH)₃.
Ржавчина покрывает металл рыхлым слоем, поэтому плохо защищает его от дальнейшей коррозии. На коррозионную стойкость железоуглеродистых сталей оказывают влияние химический состав и структура сплава. Железоуглеродистые стали в своем составе имеют ферриты, аустениты, цементит и чистый углерод (в чугуне). Все эти структурные составляющие имеют различные электродные потенциалы, что влияет на скорость коррозионного


117




процесса. На коррозионный процесс оказывают также влияние химический состав сплава и примеси.
С увеличением содержания углерода в стали в кислых растворах ско­рость коррозии увеличивается. Например, скорость коррозии чугуна в 100 раз выше скорости коррозии чистого железа. Марганец, улучшая механиче­ские свойства железоуглеродистых сталей (0,5-0,8%), не оказывает влияния на скорость коррозии. Специальные стали (марганцовокислые), содержащие 12% марганца, обладают повышенной коррозионной устойчивостью. Содержание кремния в сталях до 0,3% и в чугунах до 2,0% не оказывает влияния на коррозионную стойкость стали. При увеличении содержания кремния в специальных кремнистых сталях скорость коррозии повышается, что, воз­можно, связано со склонностью этих сталей к растрескиванию, а при содер­жании кремния свыше 14% наблюдается повышение коррозионной стойкости. Сера образует с железом и марганцем сульфиды, которые являются катодными включениями и способствуют увеличению скорости коррозии. На- водороживание стали приводит к растрескиванию, снижению пластических свойств, увеличению хрупкости.