Химическая коррозия стали

Сталь представляет собой деформированный (ковкий) сплав железа с углеродом и с примесями марганца, кремния, серы, фосфора и других элементов. Обычные сорта стали, применяемые в машиностроении, содержат от 0,05 до 1,5 % углерода.

Стали можно классифицировать по: химическому составу, микроструктуре, способу производства и применению. По химическому составу сталь подразделяют на: углеродистую и легированную.

По микроструктуре различают:

- перлитный класс стали — сталь, имеющая после нормализации структуру перлит, перлит+феррит, перлит+заэфтектоидные карбиды;

- мартенситный класс – сталь, со сниженной критической скоростью закалки, имеющая после охлаждения на воздухе мартенситную структуру;

- аустенитный класс – сталь, в которой под влиянием легирующих элементов точка полиморфного превращения твердого раствора на базе гамма - железо (γ - Fe) в твердый раствор на базе альфа - железо (α - Fe) ниже комнатной температуры; после нормализации структура такой стали состоит из аустенита или аустенита и карбидов (высоколегированная нержавеющая, жаростойкая и жаропрочная стали);

- ферритный класс – сталь, легированная элементами, суживающими и замыкающими на диаграмме состояние область существования твердого раствора на базе α – модификации железа, при определенном содержании этих легирующих элементов сталь после нормализации будет иметь структуру феррита или феррита и карбидов;

- карбидный класс – сталь с высоким содержанием углерода и карбидообразующих элементов: в литом состоянии в структуре такой стали имеется карбидная эвтектика, в деформированном состоянии – первичные и вторичные карбиды. Типичным примером стали карбидного класса может служить быстрорежущая сталь.

По способу производства различают:

- сталь обыкновенного качества - углеродистая сталь с содержанием углерода обычно не менее 0,6 % и имеет чаще всего повышенное содержание серы и фосфора, также повышенное количество неметаллических включений;

- сталь качественная – углеродистая или легированная сталь. Содержание серы и фосфора не должно превышать 0,04 % количества неметаллических включений;

- сталь высококачественная - углеродистая или легированная, чаще всего усложненного химического состава. Содержание серы и фосфора не должна превышать 0,030 % и 0,035 %. Обладает также повышенной чистотой по неметаллическим включениям.

Нержавеющие стали аустенитного класса, имеют скорость коррозии от 0,0008 до 0,003 мм/год или от 5 до 20 мг/(дм²∙месяц).

В практике кроме равномерного окисления поверхности металлического материала, наблюдается случаи локализации коррозионного разрушения на отдельных участках. Одним из видов неравномерной коррозии является так называемая межкристаллитная коррозия. Она характеризуется разъеданием металла главным образом по границам кристаллитов, что приводит к значительной потере прочности материала, несмотря на сравнительно небольшую весовую потерю. Глубокое проникновение разъедания границ приводит иногда к распаду металлического материала на отдельные зерна. Сам факт межкристаллитного разрушения уже свидетельствует о наличии механических напряжений в металле. Для протекания чистой межкристаллитной коррозии необходимо определенное состояние материала и наличие соответствующей коррозионной среды.

Проявление межкристаллитной и транскристаллитной коррозии неприятны тем, что обнаруживаются они с большим трудом и большей частью уже тогда, когда наступило разрушение поврежденной детали. Обычные, характерные продукты коррозии здесь почти всегда отсутствуют и в ряде случаев влияние коррозии, содействующее разрушению материала практически незаметно.

Основная причина межкристаллитной коррозии состоит в том, что зерна и границы зерен имеют неодинаковый химический состав, причем границы наиболее загрязнены различными примесями. Вследствие этого границы зерен и сами зерна по-разному ведут себя. Несколько более распространен в настоящее время другой взгляд. Считается, что процессы выделения пограничных фаз вызывают разность потенциалов между внутренней частью зерна и его границей, а это ведет к анодному растворению границ зерен и затем к межкристаллитному распаду.

При окислении сталей образованию окалины сопутствует процесс обезуглероживания, интенсивность которого с ростом температуры возрастает.

Состав стали в большой степени влияет на её газовую коррозию. Помимо основных компонентов – железа и углерода, в стали имеются и другие элементы либо в виде примесей, которые невозможно удалить, либо в виде специальных добавок (легированные стали). Если примеси или добавки не превышают 1 %, то они не оказывают влияния на поведение стали при высокой температуре.

Наиболее важным элементом, придающим стали коррозионную стойкость, является хром (не менее 5 %). С увеличением содержания хрома растёт сопротивляемость стали воздействию высокой температуры (жаростойкость). Положительное влияние на жаростойкость оказывают добавки алюминия (от 3 до 4 %) и кремния (от 2 до 4 %).

Причина сопротивления стали газовой коррозии состоит в образовании защитных слоев Cr₂O₃, Al₂O₃, SiO₂ и их комбинаций с окислами железа, а также в наличии в сплаве других примесей, например соединений типа FeO·Al₂O₃, FeO·Cr₂O₃, MnO·Cr₂O₃, или (Fe, Ni)O·(Fe, Cr)₂O₃.

Процесс образования окалины при окислении стали:

- в интервале температур от комнатной до 200 ˚С наблюдается образование пленки, состоящей из γ-Fe₂O₃;

- от 200 до 400 ˚С – возникновение наружного слоя α-Fe₂O₃ на внешней стороне окалины. В двух случаях наблюдается логарифмический рост окалины;

- от 400 до 575 ˚С – возникновение подслоя Fe₃O₄ на внутренней стороне окалины;

- от 575 до 730 ˚С – возникновение подслоя FeO на внутренней стороне окалины. В этих случаях закон роста – степенной, с n>2;

- от 730 до 780 ˚С – магнитное (α-Fe→β-Fe) и эвтектоидное (перлит→аустенит эвтектоидной концентрации) превращение в стали. Параболический закон роста;

- от 780 до 1150 ˚С – аллотропическое превращение в стали (β-Fe→γ-Fe) также наблюдается параболический закон роста окалины;

- выше 1100 ˚С – частичная диссоциация Fe₂O₃, для которой характерен сложно-параболический закон роста.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ

Подготовки образцов

Отбор образцов

Для испытаний металлов и сплавов следует применять плоские образцы, вырезанные из металла в состоянии поставки или их изделий. Грани образцов должны быть скруглены радиусом 1,5 мм.

Для оценки жаростойкости изделий и образцов при натурных и стендовых испытаниях допускается применять образцы другой формы и размеров в зависимости от назначения и вида испытываемых материалов.

При изготовлении образцов из проката и других изделий, имеющих направленную текстуру деформации, образцы вырезают вдоль направления волокон.

Резка образцов

Резка образцов производится на эрозионном станке. Эрозионный станок модели 4531 предназначен для вырезания по копиру сложно контурных изделий из метало - керамических твердых сплавов и других токопроводящих материалов, обработка которых другими способами крайне затруднена, а в ряде случаев невозможна.

Станок обеспечивает возможность разрезания и вырезания прямолинейных изделий без копира и образования узких щелей, изготовления из одной твердосплавной заготовки точно сопрягаемых деталей со строго параллельными гранями и равномерно распределенным зазором. На станке могут изготовляться рабочие элементы вырубных и некоторых других типов гибочных штампов и высадочных матриц, фасонные резцы и тому подобные изделия.

Станок может быть использован в инструментальном производстве, инструментальных цехах промышленных предприятий, а также в основном производстве машиностроительной и приборостроительной промышленности.

Таблица 2.1 - Технические характеристики электроискрового станка модели 4531

Шлифование

Для удобства приготовления шлифов образцы помещают в металлические оправки - кольца круглой или эллипсовидной формы и заливают легкоплавким веществом: серой. Поэтому залитые образцы можно, при необходимости, освобождать из оправки, нагревая их.

Поверхность образца шлифуют с малой подачей при интенсивном охлаждении. Припуск на шлифовку должен быть не менее 0,3 мм на сторону. Шероховатость поверхности должна соответствовать 7 - 8 классу частоты по ГОСТ 2789-59.

Образец обрабатывают на вращающемся шлифовальном круге или опиливают напильником. При большой скорости вращения шлифовального круга подготовку поверхности ведут с охлаждением образца и малым нажимом. Перегрев образца и сильное механическое воздействие могут вызвать изменение микроструктуры, что приведет к ошибочному результату исследования. Полученная поверхность должна быть плоской и не иметь завалов.

Существуют два способа шлифования образцов: ручной и механический.

При ручном способе шлифования на жесткую плоскую подкладку (толстое стекло или лист металла), расположенную горизонтально, кладут наждачную бумагу. Затем образец ставят на бумагу заторцованной плоскостью и шлифуют с легким нажимом. Шлифование ведут до полного уничтожения рисок, оставшихся после торцовки. Когда на шлифе останутся риски только от бумаги, шлифование прерывают.

Шлифовальную бумагу удаляют с подкладки, стряхивая с нее выкрошившиеся абразивные зерна и частицы металла. Остатки абразива удаляют также с подкладки и шлифа, протирая их куском чистой мягкой ткани или ватным тампоном. После этого операцию шлифования повторяют на бумаге с более мелким зерном. При повторном шлифовании направление движения образца должно быть перпендикулярно направлению рисок, оставшихся от первого шлифования. Шлифуют образцы, используя последовательно бумагу с меньшим номером зернистости и каждый раз изменяя направление движения шлифа на 90°. Изменение направления движения шлифа позволяет полностью уничтожить риски, оставшиеся после предыдущего шлифования. Закончив шлифование на бумаге с самым мелким зерном, образец промывают проточной водой и полируют.

Шлифование металлографических образцов механическим способом ведут на специальных шлифовальных станках. Шлифовальный станок (рисунок 2.1) представляет собой один или несколько металлических кругов (1), приводимых в движение электродвигателем (2). На металлические круги накладывают или наклеивают круги, вырезанные из шлифовальной бумаги, а иногда вместо шлифовальной бумаги крупной зернистости применяют карборундовые круги. При механическом шлифовании, также как и при ручном, меняют шлифовальные шкурки, последовательно переходя от крупнозернистых к мелкозернистым. При механическом шлифовании образцы часто нагреваются; в этом случае их можно периодически охлаждать в воде.

Рисунок 2.1 Шлифовальный станок.

Перед началом коррозионных испытании необходимо определить исходные размеры образцов с точностью ±0,1 мм. Перед испытанием образцы должны быть обезжирены этиловым спиртом, эфиром или другими органическими летучими растворителями.