Теория жаростойкого легирования

Во многих химических процессах металлические конструкции и изделия эксплуатируются в жестких условиях, при повышенных температурах, больших давлениях, высокой агрессивности среды.

Чистые металлы, как правило, являются коррозионностойкими и требуют дополнительных мер защиты.

Современная техника противокоррозионной защиты располагает рядом эффективных способов для увеличения стойкости металлов и сроков их эксплуатации. Применительно к условиям газовой кор­розии одним из наиболее часто используемых способов является жаростойкое легирование с целью получения сплавов, обладающих повышенной коррозионной устойчивостью.

В настоящее время существует три наиболее обоснованные тео­рии жаростойкого легирования, которые не противоречат, а скорее дополняют друг друга.

Согласно первой теории, разработанной Вагнером и Хауффе, не­большая добавка легирующего элемента окисляется и, растворяясь в оксиде основного металла, уменьшает число дефектов в кристал­лической решетке основного металла. Это приводит к упорядочи­ванию структуры и снижает скорость диффузии ионов в защитной пленке.

Данная теория имеет довольно ограниченную область примене­ния. Если скорость окисления металла определяется не диффузией ионов или при легировании в оксидной пленке образуется новая фа­за, то изложенные выше предположения жаростойкого легирования неприменимы.

Согласно второй теории, разработанной А.А. Смирновым, Н.Д. Томашовым и др., на поверхности металла образуется защитный оксид легирующего элемента, который препятствует окислению основного металла.

Применительно к этой теории легирующий компонент должен обладать перечисленными ниже основными свойствами.

1. Оксид легирующего элемента должен удовлетворять условию сплошности, т.е. отношение объемов оксида и металла долж­но быть больше единицы: V_ок/V_Ме > 1. 2.

2. Легирующий элемент должен образовывать оксид с высоким электрическим сопротивлением. Большое омическое сопротивление (низкая электропроводимость) является одним из основных условий для формирования защитных свойств пленки, так как при этом движение ионов в слое оксида затрудняется.

3. Энергия образования оксида легирующего элемента должна быть больше энергии образования оксида основного металла,

E(Ме'O) > E(МеO)

где Ме' — легирующий компонент; Ме — основной металл.

Это условие обеспечивает стойкость оксида легирующе­го компонента в присутствии основного металла. Оксид ком­понента добавки оказывается более устойчивым, чем оксид основного металла. Если это условие не соблюдается, то ок­сид легирующего элемента будет восстанавливаться основным металлом.

Более того, если первоначально образуется смешанный оксид, то в дальнейшем в соответствии с условиями термодинамического равновесия, он переходит в чистый оксид легирующего компонента.

Например, при окислении железа легированного алюминием, имеет место образование оксида железа FеО. Но далее возмо­жен процесс:

ЗFеО + 2А1 = А1₂О₃ + ЗFе

4. Размер ионов легирующего элемента должен быть меньше, чем размер иона основного металла (см. табл. 3.6). Это облегчает диффузию легирующего элемента к поверхности сплава, на котором образуется защитная пленка.

5. Оксиды легирующих компонентов должны иметь высокие тем­пературы плавления и возгонки и не образовывать низкоплав­ких эвтектик. Это требование обеспечивает сохранение окси­да при высоких температурах в твердой фазе. Переход оксида в жидкое состояние облегчил бы протекание в нем диффузи­онных процессов. Частичная возгонка оксида увеличила бы пористость пленки, что способствует снижению ее защитных свойств.

6. Легирующий компонент и основной металл должны образовы­вать твердый раствор при данном составе сплава. Только при этом условии удается обеспечить сплошную пленку оксида ле­гирующего компонента по всей поверхности сплава.

Эта теория жаростойкого легирования находится в хорошем со­гласии с целым рядом практических данных.

Экспериментально было установлено наличие защитного слоя оксида, преимущественно образованного легирующим компонентом сплава (хрома или алюминия) для ряда жаростойких железных спла­вов.