Федеральноеагентство по образованию
Нижнекамскийхимико-технологический институт (филиал)
государственногообразовательного учреждения
высшегопрофессионального образования «Казанский государственный технологическийуниверситет»
КафедраПАХТ
РЕФЕРАТ
по дисциплине«Химическое сопротивление материалов и защита от коррозии»
Тема:«Хромоникелевые стали Х18Н9»
Нижнекамск. 2010г.
Содержание
Введение
Анализи структура хромоникелевых сталей
Коррозионныесвойства хромоникелевых сталей
Хромоникелевыестали сложных систем
Литература
Введение
Сцелью придания обычным железоуглеродистым сплавам коррозионной стойкости вагрессивных средах и жаростойкости при высоких температурах железоуглеродистыестали легируют хромом, никелем, молибденом, кремнием, алюминием и другимиэлементами. Выбор легирующих элементов определяется эксплуатационными условиямиконструкции, для которой предназначается сплав. Так, хром является наиболеечасто применяемым легирующим элементом для создания как коррозионностойких, таки жаростойких сплавов на железной основе. Объясняется это тем, что хром обладаетспособностью передавать свое свойство пассивироваться железоуглеродистымсплавам, а также повышать защитные свойства высокотемпературной окалины.
Никельпри значительных его добавках способствует образованию γ — фазы и еестабильности в железных сплавах, обеспечивает высокие механические итехнологические свойства сплавов (пластичность, вязкость, прокаливаемость идр.) и повышает также их коррозионную стойкость в депассивирующих средах, едкихщелочах, расплавах солей и др.
Анализи структура хромоникелевых сталей
Железои никель, обладая взаимной растворимостью, дают непрерывный ряд твердыхрастворов. Никель способствует образованию сплавов с неограниченной γ — областью. Железоникелевые сплавы устойчивы в растворах серной кислоты, щелочейи ряда органических кислот. Однако железоникелевые сплавы не нашли широкогоприменения в качестве конструкционных материалов в химическом машиностроении,так как они не имеют особых преимуществ па сравнению с хромистыми сталями.
Особобольшое распространение нашли стали системы Fe- Cr — Niбез дополнительных присадок и с присадками титана, ниобия, молибдена, меди идр. Введение никеля в систему Fe- Cr вносит значительные изменения вструктуру сплава и расширяет область существования аустенита. В зависимости отсодержания хрома и никеля в сплаве, хромоникелевые стали подразделяются нааустенитные, аустенито-ферритные и аустенито-мартенситные. С возрастаниемсодержания никеля увеличивается область существования γ-фазы, аустенитнаяструктура делается устойчивой при достаточном содержании никеля уже при низкихтемпературах. Повышение содержания хрома, наоборот, уменьшает, областьсуществования γ-фазы. Для получения стали аустенитного класса в системе Fe- Сr — Ni,как это видно из диаграммы на рис.1, достаточно добавки 8 % Niпри содержании хрома 18%.
/>
Рис.1. Структурная диаграмма хромоникелевых сталей (по Мауеру и Шерреру)
Нарис.2 приведена диаграмма, показывающая влияние хрома в железоникелевых сплавахс 8% Ni на положение фаз приразличных температурах. Из диаграммы следует, что для получения однофазнойγ-структуры при повышенных температурах нельзя увеличивать содержанияхрома сверх 20%. Для сохранения аустенитной структуры при более высокомсодержании хрома необходимо повысить содержание никеля. Так, для стали
/>
Рис.2Положение фаз в сплавах железа
хромоникелеваясталь коррозия
Каквидно из диаграммы на рис. 2, σ-фазапоявляется в системе Fe– Cr-Niвшироком интервале составов по хрому и никелю. Область образования чистойинтерметаллической σ-фазы лежит приблизительно при 50 % Cr. σ-фазаобладает ограниченной растворимостью в α- и γ-твердых растворах и выделяется в хромоникелевых сталях при температурахприблизительно 900-950°С. Выделяясь в ряде случаев по границам зерен, онасообщает сплаву большую хрупкость. Присадка ферритообразующих элементов (Cr,Ti, Аlи др.) ускоряет образование σ-фазы, а присадка аустенитообразующихэлементов (N, С и др.) замедляет еевыделение.
Коррозионныесвойства хромоникелевых сталей
Нарядус высокими механическими и технологическими свойствами вхромоникелевых сталях может возникать склонность к межкристаллитной коррозии, в особенности после медленного охлаждения или длительногонагрева стали, а также после повторного нагрева (отпуска) закаленной стали винтервале температур500-850°С вследствие выпадения по границам зеренкарбидов. В связи с этим недостатком хромоникелевой стали ограничивается еёприменение для сварных конструкций, так как при сварке металл около шва нагревается до 500-850 °С. 'Опасными зонами при сварке аустенитных сталей являются зоны по линии сплавления, покоторой в некоторых средах (азотная кислота ( возможно возникновение ножевой коррозии, атакже зона,расположеннаяна некотором расстоянии от шва, где металл подвергается нагреву 500-850°С и возможно выпадение карбидов хрома.
Межкристаллитнаякоррозия вызывает большую потерю прочности конструкции, часто без изменениявнешнего вида. Большинство исследователей считает, что межкристаллитнаякоррозия хромоникелевых сталей объясняется электрохимической неоднородностьюповерхности стали, связанной с работой гальванической пары.
Анодамиявляются небольшие обедненные хромом зоны металла по границам зерен, а катодами- вся остальная поверхность, находящаяся в пассивном состоянии, неподвергающаяся разрушению. Причину межкристаллитной коррозии этих сталейсвязывают также и с возникающими на границах зерен напряжениями вследствиепревращения γ-фазы в α-фазы, так как образование α-фазысопровождается заметным уменьшением объема.
Дляборьбы с межкристаллитной коррозией могут быть использованы следующие методы:
а)термическая обработка изделий, в том числе и сварных, с нагревом до температуры1050-1120° С и последующим быстрым охлаждением в воде;
б)применение хромоникелевой стали с пониженным содержанием углерода (не выше0,03%, а иногда и более низким, что определяется степенью агрессивности среды);
в)введение в сталь таких стабилизаторов (карбидообразующих элементов), как титан,ниобий и др.
Длятого чтобы связать углерод стали в другие карбиды, устраняя таким образомвозможность образования карбидов хрома, а следовательно, уменьшить возможностьпоявления склонности к межкристаллитной коррозии, нужно ввести в сталь присадкутитана, ниобия и др., как было указано ранее для хромистых сталей. Практическив сталь вводят обычно титана в 6-7 раз больше, чем углерода. Содержание ниобияв стали должно превышать содержание углерода примерно в 8-10 раз.
Однойиз основных причин, вызывающих пониженную коррозионную стойкость пришовной зонысварных соединений, по-видимому, следует считать пониженное против необходимыхнорм содержание связанного в карбиды титана. Что же касается сварного шва, тоего склонность к межкристаллитной коррозии объясняется повышенным содержанием внем углерода и отсутствием титана. В некоторых случаях, вместо обычногопринятого режима закалки хромоникелевой стали X18H9с высоких температур рекомендуется применять так называемый стабилизирующийотжиг. Применение стабилизирующего отжига особенно эффективно в целяхпредотвращения в конструкциях межкристаллитной коррозии сварных швов, а такжезон, расположенных вблизи сварных швов либо вблизи перекрещивающихся сварныхшвов. Стабилизирующим отжигом называется особый вид термической обработкилистовой стали или готовых изделий, при котором в металле достаточно быстропроходят диффузионные процессы, выравнивающие содержание хрома по сечению зернаи приводящие структуру стали в стабильное состояние. Наблюдаемое при этом выделениекарбидов хрома по границам зерен не может повлечь за собой (при благоприятныхусловиях) возникновение склонности к межкристаллитной коррозии или снижениесопротивляемости общей коррозии, поскольку при этом режиме термическойобработки диффузионные процессы в стали X18H9,выравнивающие концентрацию хрома в зерне, идут с большой скоростью и обеднениеграниц зерен по содержанию хрома практически не происходит. Стабилизирующийотжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры 850-900°С с выдержкой,достаточной для того, чтобы процессы распада твердого раствора аустенита ивыравнивание концентраций хрома по сечению зерна были полностью закончены.Обычно выдержка 3-5 ч является достаточной для завершения этих процессов.Хромоникелевые стали могут в некоторых условиях подвергаться точечной коррозии,которая вызывается местным нарушением пассивности металла в результатеобразования микроэлементов. Микроэлементы, создающие разность потенциалов междуотдельными участками металла, возникают обычно вследствие, наличиянеметаллических включений, плен, раковин, трещин, участков окалины и местныхзагрязнений поверхности стали ржавчиной, пылью и т. п. Электродвижущая силамежду пассивированной и непассивированной поверхностью стали достигает значенийпорядка 0,5-0,6 в. Помимо гетерогенности поверхности металла, условиемвозникновения точечной коррозии является также присутствие в агрессивной средекислорода или другого окислителя, который обеспечил бы стабильность пассивногосостояния катодной площади и наличие активатора, который не давал возможностипассивироваться анодной зоне (точечному поражению). Последнее условиеобеспечивается ионами хлора, брома и др. Поэтому точечная коррозия хромистых ихромоникелевых сталей часто наблюдается в растворах хлоридов в морской воде и вгрунтах. На точечную коррозию хромоникелевых сталей весьма существенно влияетрН раствора. Наиболее глубокую точечную коррозию вызывают нейтральные растворы,у которых рН близок к 7; щелочные растворы менее активны; слабокислые растворывызывают незначительную точечную коррозию при отсутствии ионов-активаторо.
Врастворах солей,несодержащих кислород, хромоникелевые стали, как и хромистыестали, неподвержены точечной коррозии. Для предотвращения возникновения точечнойкоррозии хромоникелевых сталей рекомендуется обеспечивать равномерное омываниеповерхности металла кислородосодержащим электролитом (в движущейся жидкостименьше вероятность точечной коррозии, чем в неподвижной жидкости(, более тонкая обработка поверхности металла ( полирование),применение сталей более чистых в отношении содержания различных включений,выбор соответствующего режима термической обработки и, наконец, дополнительноелегирование стали молибденом в количестве 2,5-4 %.
Втабл. приведены экспериментальные данные по точечной коррозии хромистых ихромоникелевых сталей в морской воде. Из таблицы видно большое преимуществостали Х18Н10М2.
Скоростьразвития точечной коррозии различных марок
/>
Прибольших скоростях движения морской воды вероятность точечной коррозиизначительно меньше вследствие улучшения аэрации поверхности.
Коррозионная стойкость хромоникелевых сталей (как и хромистых)обусловлена в основном образованием на поверхности сплава защитной пассивнойпленки; однако хромоникелевые стали обладают несколько более высокойкоррозионной стойкостью, чем хромистые стали. Объясняется это наличием в сплавеникеля, который способствует образованию мелкозернистой однофазной структуры иповышает стойкость стали в разбавленных растворах серной кислоты, а также вряде водных растворов солей.Высоколегированныехромоникелевые стали устойчивы в азотной кислоте при концентрации не выше 80% итемпературе до 70°С. В серной и соляной кислотах эти стали неустойчивы. Вфосфорной кислоте они устойчивы только при температуре до 100°С и приконцентрации не выше 60%. Органические кислоты при комнатной температуре недействуют на хромоникелевые стали; в других органических средах в большинствеслучаев сталь также устойчива. В растворах хлористых солей щелочных ищелочеземельных металлов стали недостаточно устойчивы возможна точечнаякоррозия и коррозионное растрескивание. Азотнокислые и сернокислые соли вбольшинстве случаев на хромоникелевые стали не действуют. В едких щелочах, заисключением расплавленных, эти стали устойчивы.
Расплавленныеметаллы, за исключением свинца, разрушают хромоникелевые стали. В расплавленныххлоридах щелочных металлов с течением времени коррозия этих сталей замедляется.В большинстве органических соединений, в растворах азотнокислых, сернокислыхи хлористых солей, в окиси углерода, сухом хлоре и сернистом газе, окислахазота, сероводороде, углекислом газе и т.п. аустенитные хромоникелевые сталидостаточно устойчивы. Следует отметить, что при высоких концентрациях азотнойкислоты хромоникелевые стали подвержены так называемому явлению«перепассивации», при котором пассивные пленки теряют свои защитные свойствавследствие перехода хрома в окислы высшей валентности, неустойчивые ввысококонцентрированной кислоте. В последние годы находят применениемалолегированные по никелю хромоникелевые стали аустенито-ферритного класса марок Х21Н5, 0Х21Н5,0Х21Н6М2Т и 1Х18Н5Т, обладающие достаточно высокой коррозионной стойкостью вряде агрессивных сред. Для предотвращения склонности к межкристаллитнойкоррозии рекомендуется начальную термическую обработку этих сталей производитьпри пониженных температурах закалки, порядка 950-1000°С.
Исследованияряда авторов показали, что стали аустенитоферритного класса дляпредотвращения появления у них склонности к межкристаллитной коррозии следуетстабилизировать титаном. Наилучшие результаты показала сталь 1Х21Н5Т. Коррозионнаястойкость аустенито-ферритных сталей указанных выше марокприближается к стали типа Х18Н9. Эти стали еще мало изучены в производственныхусловиях. По данным А. А. Бабакова и др., стали 0Х21Н5Т и 1Х21Н5Тпригодны для изготовления аппаратуры следующих производств: азотной кислоты при температуре не свыше55°С; контактной 98%-ной серной кислоты при температуре до 50-70°С;синтетической мочевины при температуре не выше 110°С; установок поглощенияокислов азота, выделенных при нейтрализации их щелочью; термической фосфорнойкислоты и др.
Хромоникелевыестали сложных систем
Несмотряна широкое применение хромоникелевых сталей типа Х18Н9 для изготовленияхимической аппаратуры, предназначенной для работы в условиях воздействия сильноагрессивных сред, все же эти стали имеют некоторые недостатки, как, например,недостаточная стабильность аустенита, невозможность применения этих сталей всерной кислоте низких и средних концентраций и в восстановительных средах и др.С целью улучшения тех или иных свойств хромоникелевых сталей их легируютдобавками ряда элементов. В ряде случаев повышают процентное содержание никеляили хрома, частично заменяют никель марганцем и т. д.
Хромоникельмолибденовыестали. Для повышения стойкостихромоникелевой стали в неокислительных средах в качестве легирующих присадокобычно вводят такие компоненты, которые сами по себе являются в этих средахболее устойчивыми, чем железо и хром. К таким элементам следует отнести никель,медь, молибден, кремний и некоторые другие.
Особыйинтерес представляют хромоникелевые стали, легированные 2-3% Мо Характерной особенностью молибдена является склонностьего к пассивации как в окислительных, так и в восстановительных средах.Молибден, как известно, повышает также стойкость стали в средах, содержащиххлор-ионы.Из хромоникельмолибденовых сталей наибольшее распространение нашли стали Х17Н13М2Ти Х17Н13М3Т. Вхромоникельмолибденовые стали, содержащие ферритообразующий элемент — молибден,для сохранения однородности аустенитной структуры вводится повышенное посравнению со сталью lХ18Н9, количество никеля (до 12-14%). Хромоникельмолибденовые сталиимеют такие же механические свойства, что и стали типа Х18Н9Они сочетают сравнительно высокую прочность очень высокими пластическимисвойствами и высокой ударной вязкостью. Стали аустенитного класса марок Х17НIЗМ2Ти Х17НIЗМЗТввиду присутствия в них необходимого количества титана, предотвращающегопоявление склонности к межкристаллитной коррозии, с успехом применяются дляизготовления сварной аппаратуры без дополнительной термической обработкисварных конструкций. По технологическим свойствам хромоникельмолибденовые сталиблизки к хромоникелевым: они хорошо свариваются, протягиваются и штампуются.
Хромоникельмолибденовыестали применяются для изготовления аппаратуры, работающей в сильно агрессивныхсредах, в серной кислоте при концентрации 10-12% и температуре 40-50°С, в горячихрастворах Н2SО3, вгорячей фосфорной кислоте, в кипящих растворах уксусной, щавелевой и муравьинойкислот и др.
Хромоникельмолибденомедистыестали
Хромоникельмолибденовыестали имеют ограниченное применение в растворах серной кислоты, а с повышениемтемпературы эти стали пригодны только в растворах Н2SO4низкихконцентраций. Добавкамеди в небольших количествах (2-3%) придает хромоникелевым сталям стойкость внеокислительных кислотах и других средах, содержащихионы-активаторы(хлор-иони др.). Добавка меди существенно улучшает коррозионную стойкостьаустенитной стали в серной кислоте невысоких концентраций, однако добавкатолько меди недостаточна для полной пассивации стали при невысоких температурахв разбавленной кислоте. Более эффективные результаты получаютсяпри совместном легировании стали медью и молибденом.Былиразработаны новые марки высоколегированных сталей на основе сложной системы Fe-Cr-Ni-Mo-Cu,в которых содержание хрома и никеля колеблется соответственно от 18 до23иот 23 до 28%. Стали указанных марок обнаруживают склонность кмежкристаллитнай коррозии. Сталь марки ЭИ943 меньше подвержена этому виду коррозии, чемдругие.
Коррозионнаястойкость хромоникельмолибденомедистых сталей в некоторых агрессивных средах, вособенности в растворах серной кислоты средних концентраций при повышеннойтемпературе,вплотьдо 800°С, довольновысока. Влияниелегирующих элементов на коррозионную стойкость этих сталей в серной кислотесказывается различно, в зависимости от концентрации итемпературы среды. Хром повышает коррозионную стойкость5-30%-ной серной кислоте при температуре 80°С. Никельи медь повышают коррозионную стойкость в 5-60%-ной серной кислоте и особенно в40-60%-ной при 80°Си в 5-70%-ной, при температуре до 80°С. Молибденувеличивает стойкость стали в 5-70-нойкислоте при 80°С и в 5\-50%-нойпри температуре кипения.
Приприменении хромоникельмолибденомедистых сталей для сварных конструкций в составсталей должен быть введен стабилизатор — титан в соотнашении Ti:C≥7.Стали марок Х23Н23М3Д3 иХ23Н28М3Д3 обладают также высокой коррозионной стойкостью в фосфорнойкислоте, содержащей фтористые соединения, и в ряде других сильно агрессивных сред.
Применениедля изготовления химической аппаратуры хромомарганцевых ихромомарганцевоникелевых сталей вызвано возможностью полной или частичнойзамены никеля марганцем в хромоникелевых сталях типа Х18Н9,однако эти стали менее коррозионностойки, чем хромоникелевые стали типа Х18Н9.
Марганецотносится к элементам, которые расширяют γ-область приобразовании твердых растворов Fе– Мn. Втройной системе Fe-Cr-Mnэффективность марганца для расширения у-области значительноменьше, чем никеля и зависит от содержания хрома. В системе Fe- Сr — Мп при содержании хрома более15-% без никеля получить однородную аустенитную сталь не представляетсявозможным. После закалки на аустенит хромомарганцевые стали с 18% Сrи 9% Мп обладают достаточно высокой химической стойкостью в ряде агрессивныхсред, но менее эффективны, чем хромоникелевые стали Х18Н9. С увеличениемсодержания никеля в хромомарганцевой стали типа Х18Н9 наблюдается не толькопереход от аустенитоферритной структуры к аустенитной, но также повышениеустойчивости аустенита при холодной деформации. По указанным причинам, чистохромомарганцевые стали имеют довольно ограниченное применение в качествехимически стойких конструкционных сталей. Наибольшее практичеcкоеприменение нашли хромомарганцевые стали с содержанием никеля. Достаточно ввести2% Ni, чтобы получить аустенитнуюструктуру в интервале от 1000-1200° С в сплаве, содержащем 18% Сrи 0,1 % С. При добавлении в сплав 5% Niаустенитная структура устойчива и при комнатной температуре. Коррозионнаястойкость этих сталей несколько ниже, чем сталей типа Х18Н9, особенно в восстановительныхи некоторых органических средах. Сталь 2Х13Н4Г9 (ЭИ100) в исходном состояниипосле закалки на аустенит обладает более высокими механическими свойствами, чемсталь Х18Н9. Сталь Х14Г14Н3Т относится к аустенитным, имеет повышенную прочностьи высокую пластичность, не склонна к межкристаллитной коррозии и можетприменяться для изготовления сварных изделий без последующей термическойобработки. По коррозионной стойкости она близка к 12-14 % -ным хромистым сталям.Хромомарганцевые стали с 18 % Сrи 4 % Ni обладают до статочновысокой коррозионной стойкостью во многих агрессивных средах и при повышенныхтемпературах. Стали типа Х18Н9М3Т с соотношением Ti: С ≥ 5 не склонны к межкристаллитной коррозии и могут быть применены дляизготовления сварной аппаратуры.
Литература
1. КлиновИ.Я. Коррозия химической аппаратуры и коррозионностойкие материалы. М.:«Машиностроение», 1967.
2. ВеденкинС.Г. Коррозионные свойства металлов и сплавов. М.: Металлургиздат, 1956.
3. БабаковА.А. Нержавеющие стали. М.: Госхимиздат, 1956.
4. КоломбьеЛ., Гохман И. Нержавеющие и жаропрочные стали. М.: Металлургиздат, 1958.
5. ГудермонЭ. Специальные стали. М.: «Металлургия» 1966.
6. ТомашовН.Д. Теория коррозии и защиты металлов.М.: Издательство АН СССР, 1959.
7. ХимушкинФ.Ф. Нержавеющие стали. М.: «Металлургия» 1967.