Коррозионностойкие стали

Коррозионностойкими (нержавеющими) называют металлы и сплавы, в которых процесс коррозии развивается с малой скоростью. Коррозионностойкие стали применяют для изготовления деталей машин и оборудования и конструктивных элементов, работающих в разных агрессивных средах (влажная атмосфера, морская вода, кислоты и растворы солей, щелочей, расплавы металлов и др.).

В зависимости от химического состава стали и сплавы разделяют на классы по основному составляющему элементу: хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые и другие, а также сплавы на основе никеля. В зависимости от структуры: ферритные, мартенситные, аустенитные.

Основной легирующий элемент в коррозионных сталях – хром с содержанием от 12–30 %. Железо и хром образуют непрерывный ряд твердых растворов, а также интерметаллид – σ-фаза. Хром с углеродом образует карбид Cr₂₃C₆ более устойчивый в сравнении с цементитом, а также карбид Cr₇C₃ . В зависимости от соотношения углерода и хрома можно выделить три группы хромистых сталей – ферритные, не испытывающие превращение γ « α (08Х18Т,15Х28), полуферритные, испытывающие частичное превращение γ « α (08Х13, 12Х13), и мартенситные (20Х13, 30Х13, 40Х13).

Рис. 12.1. Изменение электродного потенциала сплавов Fe–Cr
и коррозия сплавов в растворе азотной кислоты

Из рис. 12.1 видно, что в пределах 12–13 % Cr происходит скачкообразное изменение электродного потенциала и сталь из активного состояния переходит в пассивное. Это и послужило поводом для создания группы сталей с 13 % Cr: 07Х13, 12Х13, 20Х13, 30Х13, 40Х13. Все эти стали страдают межкристаллитной коррозией. Это явление связано с образованием карбида Cr₃С_6. Эти карбиды располагаются на границах зерен. На образование карбидов расходуется много хрома (на 1 % С – 12 % Cr). Это неизбежно приводит к понижению концентрации хрома в зонах, прилегающих к карбидам, и зоны переходят в активное состояние. Именно по этим зонам развивается коррозия. Снижение склонности стали к МКК можно достичь введением сильных карбидообразователей (Ti, Nb, Ta), например, как в стали 07Х17Т.

Мартенситные, мартенсито-ферритные и ферритные стали обладают хорошей коррозионной стойкостью в атмосферных условиях, в слабоагрессивных средах и имеют высокие механические свойства. Ферритные стали применяют для изготовления изделий, работающих в агрессивных средах (например, в растворах азотной кислоты), для изготовления бытовых приборов, в пищевой, легкой промышленности.

В таблице 12.2 приведено основное назначение хромистых сталей.

Легирование хромистых сталей никелем или никелем и марганцем расширяет гамма–область, позволяя создать класс аустенитных сталей. Такие стали имеют улучшенные технологические и механические свойства. Хромоникелевые стали обладают стойкостью в концентрированных щелочных растворах при повышенных температурах, а также повышенной стойкостью в слабых растворах H₂SO₄ при концентрации никеля 2/8 атомные доли (26 % масс.).

Таблица 12.2

Применение хромистых сталей

После медленного охлаждения эти стали имеют структуру, состоящую из аустенита, феррита и карбидов хрома М₂₃С₆. Для получения аустенитной структуры, снятия внутренних напряжений и устранения склонности к МКК, которая возникает при сварке или горячей обработке давлением, стали подвергаются закалке с высоких температур (1100–1150 °С) в воде или масле, с последующим отпуском. Кроме того, для уменьшения склонности к МКК в состав сталей вводят никель и ниобий в определенном соотношении к углероду.

Таблица 12.3

Применение хромоникелевых нержавеющих сталей

Из-за высокой цены никеля его частично заменяют химическим аналогом – марганцем, например сталь марки 20Х13Н4Г9Т. Такие стали хорошо работают в слабоагрессивных средах и при низких (до –196 ºС) температурах. В таблице 12.3 приведены примеры применения хромоникелевых сталей.

Для изделий, работающих в высокоагрессивных средах при высоких температурах, широко используют сплавы на основе никеля (Н70М28, Н70М28Ф, Х15Н55М16В) с высоким содержанием молибдена. Никелевые сплавы с молибденом обладают высокой стойкостью в горячих растворах серной и соляной кислот.

Наиболее высокую коррозионную стойкость эти сплавы приобретают после закалки с 1050–1100 °С. Структура сплавов – твердый раствор на основе никеля и избыточные карбиды типа М₆С и VС.