Способы защиты от межкристаллитной коррозии

Коррозия нержавеющей стали – как защититься от нее?

При определенных условиях эксплуатации конструкции из нержавеющей стали подвергаются коррозии. Часто «нержавейку» поражает ее межкристаллитная разновидность, которая приводит к снижению прочности и пластичности металла.

1 Какие факторы определяют высокую стойкость «нержавейки» против коррозии?

Высокие антикоррозионные характеристики нержавеющих сталей обусловлены тем, что они пассивируются без особых проблем даже при стандартных атмосферных условиях – за счет кислорода в воздухе. Легкость этого процесса обеспечивается ключевым легирующим компонентом «нержавейки» – хромом. В окислительных средах при увеличении его содержания антикоррозионные возможности сталей значительно возрастают.

Пассивации «нержавейки» способствует (но в существенно меньшей степени) и никель. Снижается стойкость против коррозии при повышении объемов углерода в нержавеющих сплавах. Нивелировать воздействие углерода можно путем легирования «нержавейки» ниобием, медью, молибденом и рядом иных химических элементов. На стойкость описываемых сплавов против ржавления влияет и их структурное состояние.

Твердые растворы с никелем и хромом характеризуются максимальными антикоррозионными свойствами. Любые явления, которые приводят к повышению неоднородности структуры и снижению в твердом растворе количества хрома (формирование его интерметаллидов, нитридов и карбидов), резко уменьшают стойкость «нержавейки» против коррозионных разрушений.

Изделия из нержавеющих сталей имеют наибольший антикоррозионный потенциал в малоокислительных средах, наименьший – в сильнокислотных и неокислительных. Поэтому конструкции из них не рекомендуется эксплуатировать в растворах плавиковой, серной и соляной кислоты.

Пассивное состояние сталей, как принято считать сейчас, определяется формирующейся на их поверхности фазовой либо адсорбционной пленкой. На «нержавейке» создаются пленки адсорбционно-фазового типа. Причем образовываться они могут и при непосредственно погружении металла в раствор, и на воздухе (до того момента, как «нержавейка» попадает в раствор). Эти пленки пассивируют сталь в порах, а также выступают в роли катодов, которые реагирует на восстановительно-окислительные показатели раствора.

2 Особенности межкристаллитной коррозии «нержавейки»

Коррозия нержавеющих сталей межкристаллитного вида (МКК) происходит, когда границы зерен активны, а сами зерна пассивны. Обычно такое ржавление возникает в двух случаях:

• когда термообработка «нержавейки» производится неправильно,
• в месте сварного соединения (на небольшой дистанции от шва).

Границы и тело зерен имеют совершенно разные условия пассивации. Хром в объеме более 12 процентов содержится в теле зерна. За счет этого в твердом растворе последнее остается в пассивном состоянии. А вот на границах зерен формируются интерметаллиды и карбиды. В них хрома уже меньше 12 процентов, что приводит к малому уровню пассивации.

Межкристаллитная коррозия чаще всего поражает стали аустенитного класса. В них нет специальных легирующих добавок – ниобия и титана. Аустенитные нержавеющие стали особенно подвержены МКК после отпуска металла при 650 градусах.

А вот в «нержавейке» ферритного класса межкристаллитная коррозия активно образуется при нормализации либо закалке стали. Это обусловлено тем, что из твердого пересыщенного раствора образуются нитриды и карбиды хрома, содержащие железо.

Чувствительность «нержавейки» к коррозии межкристаллитного типа увеличивается с увеличением размера зерна. Также добавим, что наличие в нержавеющих легированных сталях кобальта, кремния и никеля приводит к повышению активности атомов углерода. Это становится причиной усиления межкристаллитной коррозии.

3 Способы предохранения «нержавейки» от МКК

Защита нержавеющих сплавов от межкристаллитной коррозии выполняется в настоящее время следующими методами:

• Отжига (стабилизирующим) стали при температурах от 750 до 900 градусов. Эта методика продемонстрировала высокую эффективность при обработке ферритных сталей. В них за счет диффузии концентрация хрома выравнивается и по границам зерен, и по самому зерну.
• Уменьшением содержания в сталях углерода. Исследования показали, что в ферритной и аустенитной «нержавейке» с углеродом до 0,03 процента МКК практически никогда не образуется.
• Закалкой металла в воде. Такая защита обычно применяется для аустенитной нержавеющей стали. Она обеспечивает переход в твердый раствор карбидов хрома, которые располагаются на границах зерен.
• Формированием аустенитно-ферритных двухфазных сплавов, которые к МКК проявляют крайне малую степень чувствительности.

Кроме того, защита «нержавейки» от описываемого вида коррозии производится при легировании ее образующими карбиды стабилизирующими компонентами. Для этих целей используется ниобий и титан, реже – тантал.

Принцип этой защиты базируется на том, что указанные элементы по своей природе более активно (по сравнению с хромом) формируют карбиды. Таким образом, по границам зерен образуются не карбиды хрома, вызывающие МКК, а соединения тантала, ниобия либо титана. При легировании важно добиться того, чтобы количество ниобия в сплаве было в 8–10 раз, а титана в 5 раз больше содержания углерода.

4 Ножевая и точечная коррозия «нержавейки»

Разновидностью МКК считается ножевая коррозия. Механизм ее образования идентичен тому, который вызывает межкристаллитные разрушения. Ножевое ржавление поражает нержавеющие стали в областях, которые находятся непосредственно возле сварного соединения (то есть примыкают к нему). Такой коррозии подвержены даже сплавы, прошедшие стабилизацию ниобием либо титаном.

Ножевые коррозионные проявления обусловлены полным переходом карбидов ниобия и титана при сварочных температурах более 1300 градусов в твердый раствор. Когда после сварки сталь охлаждается (процесс должен идти достаточно быстро), выделения этих карбидов не происходит, зато карбиды хрома сразу же появляются возле соединительных швов. Также ножевая коррозия активно развивается в сильноокислительных атмосферах, когда металл в перепассивированном состоянии.

Защита от ножевого ржавления выполняется такими способами:

• выбор такого сварочного режима, при котором на пришовную зону не оказывают влияния высокие температуры;
• уменьшение объемов углерода в «нержавейке»;
• повышение (по сравнению с расчетным) содержания в сплаве ниобия или титана.

Под точечной коррозией принято понимать локализованное разрушение сталей, проявляющееся в виде отверстий на их поверхности. Это происходит из-за недостатка в определенной (как правило, небольшой по размерам) области кислорода. Данная ситуация приводит к тому, что эта область по своим свойствам становится анодной, а другая область, где кислород имеется в избытке, превращается в катодную. В результате наблюдается гальваническая коррозия в узколокализованной зоне, которая способна продвигаться с течением времени в глубинные слои стали.

Точечная коррозия нержавеющих сталей встречается очень часто в форме питтингов с существенными глубинами, но малым (до одного миллиметра) диаметром. Питтинги образуются из-за появления на «нержавейке» серы и других посторонних включений, а также при повреждении пассивного слоя на металле. Предотвратить точечное разрушение можно добавочным легированием стали никелем и молибденом.

5 Коротко о других видах коррозии нержавеющих сплавов

Нержавеющие стали аустенитного и мартенситного класса имеют высокую склонность к коррозии под напряжением. Причем эта склонность не устраняется внесением в сплавы ниобия либо титана. Данный вид разрушения возникает из-за того, что в неоднородных областях «нержавейки» (блочные структуры, границы зерен) появляются надрезы. В них уменьшается поляризуемость (анодная) и происходит значительная концентрация напряжений.

Коррозия под напряжением не страшна сталям, в которых имеется свыше 40 процентов никеля. Если же этот элемент содержится в сплаве в количестве от 9 до 14 процентов, «нержавейка» в большинстве случаев будет коррозировать под напряжением. При содержании никеля менее 9 процентов формируется аустенитно-ферритная композиция с двумя фазами, которая, как было отмечено, не подвержена ржавлению.

Для защиты «нержавейки» от коррозии под напряжением используются далее указанные методы:

• отжиг (стабилизирующий) для аустенитных сплавов и отпуск (высокий) для мартенситных;
• уменьшение напряжений, которые приложены к металлу извне;
• формирование на поверхности стали напряжения сжатия посредством ее обработки на дробеструйном оборудовании;
• добавка ферритообразующих компонентов.

В зонах появления зазоров малых размеров между изделием из нержавеющей стали и иным предметом (например, прокладка из резины либо уплотнительная деталь) может развиваться щелевая коррозия. Схема формирования такого разрушения следующая:

• накопление хлорид-ионов и аналогичных им агрессивных микрочастиц в зазоре;
• «выталкивание» из раствора атомов кислорода;
• образование в зазоре анода, что через некоторое время приводит к увеличению кислотности.

Щелевая коррозия демонстрирует максимальную активность в нетекучих хлоридсодержащих атмосферах и в средах с повышенной кислотностью. Защититься от нее можно путем увеличения щелочности анодной зоны (катодная защита). Но намного более эффективным методом считается грамотное проектирование конструкций из нержавеющих сталей, которое просто-напросто не позволяет образовываться щелевой коррозии.

Источник

Что такое межкристаллическая коррозия

Межкристаллическая коррозия металла – это распространенный процесс, который может привести к полному выводу изделия из строя, утрате всех эксплуатационных характеристик.

Исследования показывают, что практически все виды стали подвергаются коррозии. Где-то она развивается быстрее, где-то медленнее. Отличается характер поражения, темпы распространения, уровень повреждения.

Если рассматривать межкристаллическую коррозию более подробно, можно увидеть, что это электрохимический процесс. Во время его протекания, разрушение металла происходит по границе кристаллических зерен.

Основной катализатор – внешнее давление окружающей среды.

Эксперты отмечают высокую опасность такого процесса. Причина заключается в его скрытом протекании. Ржавчина появляется внутри металла, долго не дает никак о себе знать со стороны.

К тому моменту, когда процесс начинает прорываться на поверхность, есть серьезная опасность того, что все эксплуатационные характеристики будут полностью утрачены, материал станет слишком хрупким.

Иногда конструкция может разрушиться внезапно.

Наибольшей склонностью к межкристаллической коррозии отличаются следующие виды материалов:

• алюминиевые сплавы;
• стали, содержащие больше 13% хрома, меди, никеля, легированные молибденом;
• аустенитные и нержавеющие стали.

Процесс может проявляться и в других материалах, но перечисленные чаще всего оказываются затронутыми.

Особенности появления и протекания межкристаллитной коррозии

Большинство специалистов дают определение межкристаллитной коррозии как электрохимической реакции. Ее протекание становится возможным в том случае, если достигаются высокие окислительные показатели.

При ближайшем рассмотрении, можно заметить, что по границе зерна создаются аноды и катоды. Также наблюдается стремительное растворение анода. На фоне этого развиваются пространства неоднородности.

Таким образом, начинается внутреннее разрушение, которое постепенно начнет выходить на поверхность.

Среди главных причин межкристаллитной коррозии:

• Сильный подъем внешней температуры.
• Постоянный контакт с агрессивными средами.
• Особенности состава сплава.

В зону риска попадают материалы, в состав которых входит большое количество легирующих добавок. При этом отдельные участки металла могут переходить из пассивного в активное состояние. Стимулом становятся различные виды внутренних процессов.

Главный параметр, который влияет на скорость ржавения – показатель потенциала металла. Исследования показывают, что даже при анализе одной детали, подверженной коррозии, можно обнаружить очаги с разной скоростью протекания.

Самую высокую скорость показывает коррозийный процесс при потенциале 1.15-1.25В.

Еще одно важное понятие – охрупчивание. Оно означает постепенное сужение зоны влияния в аустенитных материалах. Такой тип дефекта чаще всего начинает проявляться в местах, на которые в процессе сварки начинает действовать сильный перегрев.

Когда на деталь воздействует повышенная температура, начинается стремительный рост зерен. На этом фоне также происходит быстрое выделение водорода.

В современной промышленности применяются различные проверенные методы для того, чтобы не допустить процесса коррозийного поражения. Пример – использование технологии отпуска при температуре до 150 градусов на протяжении одного-двух часов.

Еще один метод защиты – исключение попадания брызг раскаленного металла в процессе плавления и сваривания. Давление в месте сварки нарастает, чего также стоит избегать.

Хорошо показывает себя обработка кремнийорганическим лаком или грунтовкой. Важно правильно подготовить поверхность под нанесение состава.

Как проявляется межкристаллитная коррозия в аустенитных нержавеющих сталях

В промышленности часто используются аустенитные стали. Это особый формат материала, который связан с применением аустенита – раствора с двухпроцентным содержанием углерода.

Существует большое количество аустенитных сплавов, в которых есть большой процент содержания никеля и хрома. Концентрация находится на уровне 15% и 7% соответственно.

Еще одно условие для отнесения сплава к аустенитной категории – уровень содержания легирующих компонентов не превышающий отметку в 55%.

При ближайшем рассмотрении рисунка структуры аустенитных металлов, удается обнаружить, что коррозийные процессы на такое сырье оказывают минимум воздействия.

Именно аустенитные стали по причине хорошей защиты от коррозии активно используются в разных областях промышленности, в том числе, на химическом и нефтяном производстве.

Главное требование для того, чтобы не допустить распространения коррозии в сплавах такого типа – не получить превышения содержания в рецептуре углерода и серы.

Также негативно может повлиять на качество и различное соединение таких компонентов. Такие стали отличаются хорошими показателями плавкости – их удобно обрабатывать.

Основные аспекты защиты нержавеющих сталей от коррозии

Само название нержавеющей стали дано по причине высокого уровня защиты от постепенного развития коррозии. Материал отличается выраженными свойствами пассивации.

Металл может становиться пассивным, потому что в него добавляется хром. Уровень его содержания всегда серьезно влиял на уровень антикоррозийной стойкости.

Также на то, насколько хорошо материал противостоит коррозии, влияет множество характеристик, в том числе, степень концентрации углерода. Если объем углерода в сплаве возрастает, качество защиты от ржавения становится меньше.

Еще один параметр, который начинает влиять на стойкость к коррозии – структура сплава. Если материал становится неоднородным, в нем увеличивается уровень содержания хрома, вероятность коррозийного разрушения с течением времени становится только больше.

Также среди важных показателей коррозийной стойкости – хороший уровень защищенности при контакте с окислительными средами.

Основные методы защиты нержавеющей стали от межкристаллитной коррозии

Для того, чтобы повысить уровень защищенности межкристаллитной стали от коррозии, можно использовать несколько стандартных методов. К ним относятся такие, как:

• Уменьшение уровня содержания углерода. Если в сплаве его становится меньше, вероятность появления межкристаллитной коррозии становится намного меньше. Чаще всего такое средство используют в том случае, если другие варианты не подходят. Причина заключается в высокой стоимости.
• Закалка. Обработка заготовки под действием высокой температуры необходима в том случае, если готовая деталь не будет использоваться под сильным нагревом.
• Применение дополнительных специальных добавок. При введении в сплав тантала или титана, исключается вероятность увеличения концентрации углерода, который мог бы негативно повлиять на степень интенсивности коррозии.

Методы проверки стойкости сплавов от межкристаллитной коррозии

Чтобы понять, что материал не подвержен межкристаллитному разрушению, стоит обратить внимание на проведение специальных испытаний. Проверка проводится в полном соответствии с требованиями, прописанными в ГОСТ 603289.

Стандарт испытаний проводится с разными типами сталей. К ним относятся такие сплавы, как:

• Аустенитные;
• Ферритные;
• Аустенитно-ферритные;
• Железоникелевые.

Могут отличаться способы проведения испытаний, которые проверяют уровень стойкости к межкристаллитной коррозии. К ним относится проведение ускоренных испытаний, а также помещение в раствор с фтором и медью.

В проверке применяются образцы, которые полностью отражают характеристики материала и помогают понять, как различные катализаторы коррозии будут влиять на сырье.

Источник