Влияние температуры отпуска на износостойкость и сопротивление питтинговой коррозии стали

Федеральное агентство по образованию

Сарапульский политехнический институт (филиал)

Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования

«Ижевский государственный технический университет»

Курсовая работа

по дисциплине: «Коррозия и защита металлов»

Преподаватель: Белякова А.Ф.

Студента 3 курса группы 611 ЗДУ

Специальности «Технология машиностроения»

шифр 151001

Иванова Е.О.

2010 г.

Содержание

Введение

1. Влияние конструктивных факторов

2. Электрохимические методы противокоррозионной защиты

3. Влияние температуры отпуска на износостойкость и коррозионные свойства азотсодержащей аустенитно-мартенситной стали 08Х14АН4МДБ

3.1 Введение

3.2 Результаты исследований и их обсуждение

3.3 Методика проведения исследований

Выводы

Список литературы

Введение

Классификация коррозионных процессов.

Коррозионные процессы классифицируют по механизму взаимодействия металлов с внешней средой; по виду коррозионной среды и условиям протекания процесса; по характеру коррозионных разрушений; по видам дополнительных воздействий, которым подвергается металл одновременно с действием коррозионной среды.

По механизму процесса различают химическую и электрохимическую коррозию металлов.

Химическая коррозия -- это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой, при котором окисление металла и восстановление окислительного компонента среды протекают единовременно в одном акте. Продукты взаимодействия пространственно не разделены.

Электрохимическая коррозия -- это процесс взаимодействия металла с коррозионной средой (раствором электролита), при котором ионизация атомов металла и восстановление окислительного компонента коррозионной среды протекают не в одном акте и их скорости зависят от электродного потенциала.

По виду коррозионной среды и условиям протекания различают несколько видов коррозии.

Газовая коррозия -- это химическая коррозия металлов в газовой среде при минимальном содержании влаги (как правило не более 0,1%) или при высоких температурах. В химической и нефтехимической промышленности такой вид коррозии встречается часто. Например, при получении серной кислоты на стадии окисления диоксида серы, при синтезе аммиака, получении азотной кислоты и хлористого водорода, в процессах синтеза органических спиртов, крекинга нефти и т.д.

Атмосферная коррозия -- это коррозия металлов в атмосфере воздуха или любого влажного газа.

Подземная коррозия -- это коррозия металлов в почвах и грунтах.

Биокоррозия -- это коррозия, протекающая под влиянием жизнедеятельности микроорганизмов.

Контактная коррозия -- это вид коррозии, вызванный контактом металлов, имеющих разные стационарные потенциалы в данном электролите.

Радиационная коррозия -- это коррозия, обусловленная действием радиоактивного излучения.

Коррозия внешним током и коррозия блуждающим током. В первом случае -- это коррозия металла, возникающая под воздействием тока от внешнего источника. Во втором случае -- под воздействием блуждающего тока.

Коррозия под напряжением -- коррозия, вызванная одновременным воздействием коррозионной среды и механических напряжений. Если это растягивающие напряжения, то может произойти растрескивание металла. Это очень опасный вид коррозии, особенно для конструкций, испытывающих механические нагрузки (оси, рессоры, автоклавы, паровые котлы, турбины и т.д.).

Если металлические изделия подвергаются циклическим растягивающим напряжениям, то можно вызвать коррозионную усталость. Происходит понижение предела усталости металла. Такому виду коррозии подвержены рессоры автомобилей, канаты, валки прокатных станов.

Коррозионная кавитация -- разрушение металла, обусловленное одновременным коррозионным и ударным воздействием внешней среды.

Фреттинг-коррозия -- это коррозия, вызванная одновременно вибрацией и воздействием коррозионной среды.

Устранить коррозию при трении или вибрации возможно правильным выбором конструкционного материала, снижением коэффициента трения, применением покрытий и т.д.

По характеру изменения поверхности металла или сплава различают несколько видов коррозионных разрушений (рис. 1.1).



Коррозия называется сплошной (рис. 1.1, а и б), если она охватывает всю поверхность металла. Сплошная коррозия может быть равномерной (рис! 1.1, а), если процесс протекает с одинаковой скоростью по всей поверхности металла, и неравномерной (рис. 1.1,6),когда скорость процесса неодинакова на различных участках поверхности. Равномерная коррозия наблюдается, например, при коррозии железных труб на воздухе.

При избирательной коррозии (рис. 1.1, в) разрушается одна структурная составляющая или один компонент сплава. В качестве примеров можно привести графитизацию чугуна или обесцинкование латуней.

Местная (локальная) коррозия охватывает отдельные участки поверхности металла (рис. 1.1, г, д, е). Местная коррозия может быть выражена в виде отдельных пятен, не сильно углубленных в толщу металла (рис. 1.1, г); язв - разрушений, имеющих вид раковины, сильно углубленной в толщу металла (рис. 1.1, д), или точек (питтингов), глубоко проникающих в металл (рис. 1.1, е).

Первый вид наблюдается, например, при коррозии латуни в морской воде. Язвенная коррозия отмечена у сталей в грунте, а питтинговая -- у аустенитной хромоникелевой стали в морской воде.

Подповерхностная коррозия (рис. 1.1, ж) начинается на поверхности, но затем распространяется в глубине металла. Продукты коррозии оказываются сосредоточенными в полостях металла. Этот вид коррозии вызывает вспучивание и расслоение металлических изделий.

Межкристаллитная коррозия (рис. 1.1, з) характеризуется разрушением металла по границам зерен. Она особенно опасна тем, что внешний вид металла не меняется, но он быстро теряет прочность и пластичность и легко разрушается. Связано это с образованием между зернами рыхлых малопрочных продуктов коррозии. Этому виду разрушений особенно подвержены хромистые и хромоникеле-вые стали, никелевые и алюминиевые сплавы.

Щелевая коррозия вызывает разрушение металла под прокладками, в зазорах, резьбовых креплениях и т.д.

1. Влияние конструктивных факторов

При проектировании химического производства, как правило, уделяют основное внимание анализу характера агрессивной среды и условиям протекания процесса. Руководствуясь этими данными, выбирают материал, обладающий достаточным химическим сопротивлением.

Столь же пристального внимания заслуживает рациональное конструирование отдельных узлов и аппаратов. Неудачное конструирование во многих случаях может явиться причиной образования застойных зон, зазоров, концентрации напряжений и других явлений, способствующих возникновению и протеканию коррозии.

Вместе с тем уже на стадии проектирования можно предусмотреть такие конструктивные решения отдельных узлов аппарата, которые значительно снизят или устранят возможность возникновения процесса коррозии.

При конструировании оборудования следует обращать внимание на характер обработки поверхности металла, контакт соединительных элементов из различных материалов, режим распределения потоков теплоносителя, наличие щелей и зазоров, возможность образования застойных зон.

Гладкая поверхность металла имеет меньше различных дефектов в виде царапин, неровностей и т.д. На шероховатой поверхности легче скапливается грязь, пыль и другие вещества. Это особенно характерно для производства удобрений, солей. Металлическое оборудование и конструкции с шероховатой поверхностью в этом случае покрываются различными веществами. Если эти вещества гигроскопичны и легко впитывают влагу, то они прилипают к поверхности металла, создаются местные очаги с высокой концентрацией электролита, что способствует усиленной коррозии.

Если в конструируемом аппарате есть детали, выполненные из различных металлических материалов, то возникает опасность проявления контактной коррозии. В этом случае еще на стадии проектирования обязательно должны быть приняты меры по предотвращению или ослаблению этого явления. Обычно применяют один из двух возможных приемов.

Контактирующие детали из разнородных металлов изготавливают с различной величиной поверхности. При этом деталь с наименьшей поверхностью должна быть выполнена из более благородного металла (втулки вентилей, поршневые кольца насосов и т.д.).

Если такой способ оказывается невозможным, то детали из разных материалов должны быть изолированы друг от друга. Этот способ предотвращения электрохимической контактной коррозии часто применяют при проектировании трубопроводов, в строительных конструкциях. Особое внимание при этом надо уделить свойствам прокладочного материала. Он должен быть инертным по отношению к рабочей среде, способным выдерживать температурные и механические нагрузки, иметь высокую износостойкость. Особое внимание следует уделить монтажу контактных узлов. Если монтаж выполнен неаккуратно, то возможно возникновение застойных зон, щелей и других очагов усиленного развития коррозии.

Многие химические и нефтехимические процессы протекают при повышенных температурах. Коррозионные процессы в этих условиях имеют свои особенности. Чем выше температура, тем интенсивнее происходит разрушение металла. Скорость коррозии в условиях теплопереноса может изменяться до двух порядков.

Поверхность металла, соприкасающаяся с теплоносителями и хладагентами, подвергается дополнительному коррозионному воздействию. Например, теплообменники являются одним из наименее стойких видов оборудования. В 92 % случаев причиной отказа в работе теплообменника является коррозия теплопередающих поверхностей.

В изотермических условиях при равенстве температур металла и технологической среды в определенном интервале температур наблюдается эффект резкого увеличения скорости коррозии пассивирующихся металлов и снижение потенциала свободной коррозии. Металл из пассивного состояния переходит в активное. Эта температура по определению Я.М. Колотыркина названа предельной температурой самопассивации. Очевидно, что в реальных условиях надо стремиться работать при таких температурах, при которых металл еще сохраняет способность к самостоятельному переходу в пассивное состояние.

При конструировании аппаратов следует предусмотреть равномерное распределение теплового потока, исключить возможность локального перегрева. Во многих промышленных аппаратах, в которых протекают высокотемпературные процессы, такие меры предусмотрены.Для теплообменного оборудования наиболее распространенными являются локальные виды коррозии, такие как питтинговая, щелевая и межкристаллитная.

При проектировании конструкций должны быть обозначены места и способы сварки. При сварке металлов в зоне шва и в околошовной зоне создаются большие растягивающие напряжения. В зонах, расположенных вдоль шва, где металл нагревается выше критических температур, меняется структура металла. Это может привести к растрескиванию металла.

При конструировании сварных узлов и деталей следует предусматривать ряд мер: избегать скопления швов, исключить точечную сварку, при которой особенно велика концентрация напряжений, применять местный отжиг и т.д.

Очень опасными в коррозионном отношении зонами в аппаратуре являются зазоры и щели. В них может происходить концентрирование рабочего раствора, нарушаться аэрация, что неизбежно приведет к развитию местной коррозии. С этой точки зрения опасны прерывистые сварные швы, в которых вследствие неплотного прилегания материала друг к другу образуются щели и зазоры, являющиеся причиной возникновения щелевой коррозии.



Рис. Основные стадии формирования очагов канавочной коррозии.

Образование застойных зон жидкости в аппаратах и трубопроводах сильно увеличивает возможность возникновения коррозии за счет образования микропар неравномерной аэрации. Этому способствует и отложение различных осадков в застойной зоне.

Предупредительными мерами являются рациональное конструирование. В рационально сконструированных узлах устранена возможность скапливания влаги и продуктов коррозии, предусмотрена возможность удаления осадка.

2. Электрохимические методы противокоррозионной защиты

Электрохимическая защита является способом противокоррозионной защиты металлических материалов, основанным на снижении скорости их коррозии путем смещения потенциала до значений, соответствующих крайне низким скоростям растворения. Сущность метода состоит в уменьшении скорости электрохимической коррозии металла при поляризации электрода от источника постоянного тока или при контакте с добавочным электродом, являющимся анодом по отношению к коррозирующей системе.

На рис. 10.1 приведена схема, поясняющая снижение скорости растворения металла при различных способах его электрохимической защиты. В зависимости от направления смещения потенциала металла электрохимическая защита подразделяется на катодную и анодную.

Электрохимическую защиту применяют в том случае, если потенциал свободной коррозии конструкционного материала располагается в области активного растворения или перепассивации, то есть материал растворяется с высокой скоростью. При катодной защите снижение скорости растворения металла происходит вследствие смещения потенциала в область значений, отрицательнее.

Катодная защита

Катодная защита применяется в тех случаях, когда металл не склонен к пассивации, то есть имеет протяженную область активного растворения, узкую пассивную область, высокие значения критического тока и потенциала пассивации. Осуществление катодной защиты возможно различными способами: снижением скорости катодной реакции (например, деаэрацией растворов, в которых протекает коррозионный процесс); поляризацией от внешнего источника тока; созданием контакта с другим материалом, имеющим в рассматриваемых условиях более отрицательный потенциал свободной коррозии (протекторная защита).

Катодную защиту с использованием поляризации от внешнего источника тока применяют для защиты оборудования из углеродистых, низко- и высоколегированных и высокохромистых сталей, олова, цинка, медных и медноникелевых сплавов, алюминия и его сплавов, свинца, титана и его сплавов. Как правило, это подземные сооружения (трубопроводы и кабели различных назначений, фундаменты, буровое оборудование), оборудование, эксплуатируемое в контакте с морской водой (корпуса судов, металлические части береговых сооружений, морских буровых платформ), внутренние поверхности аппаратов и резервуаров химической промышленности. Часто катодную защиту применяют одновременно с нанесением защитных покрытий. Уменьшение скорости саморастворения металла при его внешней поляризации называют защитным эффектом.

Источниками внешнего тока при катодной защите служат станции катодной защиты, обязательными элементами которых являются: преобразователь (выпрямитель), вырабатывающий ток; токоподвод к защищаемой конструкции, электрод сравнения, анодные заземлители, анодный кабель.

Станции катодной защиты бывают регулируемые и нерегулируемые. Нерегулируемые станции катодной защиты применяются в том случае, когда изменения сопротивления в цепи тока практически отсутствуют. Указанные станции работают в режиме поддержания постоянного потенциала или тока и применяются для защиты резервуаров, хранилищ, высоковольтных кабелей в стальной броне, трубопроводов и др.

Регулируемые станции катодной защиты применяются при наличии в системе блуждающих токов (близость электрифицированного транспорта), периодических изменений сопротивления растеканию тока (сезонные колебания температуры и влажности грунтов), технологических колебаний (изменение уровня раствора и скорости течения жидкости). Регулируемым параметром может служить ток или потенциал. Частота расположения станций катодной защиты по длине защищаемого объекта определяется электропроводностью эксплуатационной среды. Чем она выше, тем на большем расстоянии друг от друга будут располагаться катодные станции.

Анодные заземлители, соединяющие положительный полюс катодной станции с землей, изготавливаются из различных материалов -- стали, графита, ферросилицида, титана, платинированного титана и др. Схема расположения анодных заземлителеи определяется конфигурацией защищаемой конструкции. Мощность станции катодной защиты определяется максимальным сопротивлением растеканию тока с анодных заземлителеи. С целью снижения указанного сопротивления анодные заземлители располагают либо на участках грунта, обладающих минимальным сопротивлением, либо в специальных коксовых обсыпках.

Засыпка представляет собой толстый слой кокса, в которую добавляют гипс и поваренную соль в соотношении 4:1. Такая засыпка имеет высокую электропроводность.

Для защиты водных объектов аноды устанавливают на дне рек и морей. При защите заводской аппаратуры аноды погружают в технологические среды.

Катодную защиту внешним током применяют как дополнительное средство к изоляционному покрытию. При этом изоляционное покрытие может иметь повреждения. Защитный ток протекает в основном по обнаженным участкам металла, которые и нуждаются в защите.

Применяют катодную защиту внешним током и к конструкциям, имеющим значительные повреждения, что позволяет приостановить дальнейшее распространение коррозии.

Использование катодной защиты сопряжено с опасностью так называемой перезащиты. В этом случае вследствие слишком сильного смещения потенциала защищаемой конструкции в отрицательную сторону может резко возрасти скорость выделения водорода. Результатом этого является водородное охрупчивание или коррозионное растрескивание материалов и разрушение защитных покрытий.

Протекторная защита

Протекторная защита является разновидностью катодной защиты. К защищаемой конструкции присоединяют более электроотрицательный металл -- протектор -- который, растворяясь в окружающей среде, защищает от разрушения основную конструкцию. После полного растворения протектора или потери контакта с защищаемой конструкцией, протектор необходимо заменить,

Протектор работает эффективно, если переходное сопротивление между ним и окружающей средой невелико. Действие протектора ограничивается определенным расстоянием. Максимально возможное удаление его от защищаемой конструкции называется радиусом защитного действия протектора.

Протекторную защиту применяют в тех случаях, когда получение энергии извне для организации катодной защиты связано с трудностями, а сооружение специальных электролиний экономически невыгодно.

Протекторную защиту применяют для борьбы с коррозией металлических конструкций в морской и речной воде, грунте и других нейтральных средах. Использование протекторов в кислых растворах нецелесообразно вследствие высокой скорости саморастворения.

В качестве протекторов можно применять металлы: Al, Fe, Mg, Zn. Однако использовать чистые металлы в качестве протекторов не всегда целесообразно. Так, например, чистый цинк растворяется неравномерно из-за крупнозернистой дендритной структуры, поверхность чистого алюминия покрывается плотной оксидной пленкой, магний имеет высокую скорость собственной коррозии. Для придания протекторам требуемых эксплуатационных свойств в их состав вводят легирующие элементы.

В состав цинковых протекторов вводят Cd (0,025-0,15%) и А1 (0,1-0,5%). Содержание таких примесей, как Fe, Cu, Pb стараются поддерживать на уровне не более 0,001-0,005%. В состав алюминиевых протекторов вводят добавки, предотвращающие образование оксидных слоев на их поверхности -- Zn (до 8 %), Mg (до 5 %), а также Cd, In, Gl, Hg, Tl, Mn, Si (от сотых до десятых долей процента), способствующие требуемому изменению параметров решетки. Магниевые протекторные сплавы в качестве легирующих добавок содержат А1 (5-7 %) и Zn (2-5 %); содержание таких примесей, как Fe, Ni, Cu, Pb, Si поддерживают на уровне десятых или сотых долей процента. Железо в качестве протекторного материала используют либо в чистом виде (Fe-армко) либо в виде углеродистых сталей.

Цинковые протекторы применяют для защиты оборудования, эксплуатирующегося в морской воде (морских судов, трубопроводов, прибрежных сооружений). Применение их в слабосоленой, пресной воде и грунтах ограничено вследствие образования на их поверхности слоев гидрооксида Zn(OH)2 или оксида цинка ZnO.

Алюминиевые протекторы применяют для защиты сооружений, эксплуатирующихся в проточной морской воде, а также для защиты портовых сооружений и конструкций, располагающихся в прибрежном шельфе.

Магниевые протекторы преимущественно применяют для защиты небольших сооружений в слабоэлектропроводных средах, где эффективность действия алюминиевых и цинковых протекторов низка, -- грунтах, пресных или слабосоленых водах. Однако, из-за высокой скорости собственного растворения и склонности к образованию на поверхности трудно растворимых соединений, область эксплуатации магниевых протекторов ограничивается средами с рН = 9,5-10,5. При защите магниевыми протекторами закрытых систем, например резервуаров, необходимо учитывать возможность образования гремучего газа вследствие выделения водорода в катодной реакции, протекающей на поверхности магниевого сплава. Использование магниевых протекторов сопряжено также с опасностью развития водородного охрупчивания и коррозионного растрескивания оборудования.

Анодная защита

Анодную защиту применяют при эксплуатации оборудования в хорошо электропроводных средах и изготовленного из легко пассивирующихся материалов -- углеродистых, низколегированных нержавеющих сталей, титана, высоколегированных сплавов на основе железа. Анодная защита перспективна в случае оборудования, изготовленного из разнородных пассивирующихся материалов, например, нержавеющих сталей различного состава, сварных соединений.

При анодной защите потенциал активно растворяющегося металла смещают в положительную сторону до достижения устойчивого пассивного состояния . В результате происходит не только существенное (в тысячи раз) снижение скорости коррозии металла, но и предотвращается попадание продуктов его растворения в производимый продукт. Смещение потенциала в положительную сторону можно осуществлять от внешнего источника тока, введением окислителей в раствор или введением в сплав элементов, способствующих повышению эффективности протекающего на поверхности металла катодного процесса.

Анодная защита пассивирующими ингибиторами-окислителями основана на том, что в процессе их восстановления возникает ток, достаточный для перевода металла в пассивное состояние. В качестве ингибиторов могут быть использованы соли Fe3+, нитраты, бихроматы и др. Применение ингибиторов позволяет защищать металл в труднодоступных местах -- щелях, зазорах. Недостатком этого способа защиты является загрязнение технологической среды.

Действие окислителя на металл аналогично действию анодной поляризации. Известны работы Я.М. Колотыркина и Н.Я. Бунэ, в которых два одинаковых образца никеля подвергали различной обработке. Один образец выдерживали в растворе 1 н. H2SO4, в котором содержалось некоторое количество окислителя (Fe2(SO4)31 Н2О2, К2СГ2О7 или КМГ1О4). Второй образец в растворе 1 н. H2SO4 без окислителей поляризовали потенциостатическим методом. Данные обоих опытов совпали. Это свидетельствует о том, что как при химической, так и при электрохимической обработке пассивное состояние металла определяется величиной потенциала, независимо от способа его достижения.

При анодной защите методом катодного легирования в сплав вводят добавки (чаще благородный металл), на котором катодные реакции восстановления деполяризаторов осуществляются с меньшим перенапряжением, чем на основном металле. Например, как было показано ранее, в сплавах титана с небольшим количеством палладия происходит селективное растворение титана, а поверхность непрерывно обогащается палладием. Палладий выступает как протектор и пассивирует сплав. Аналогичный эффект наблюдается и для хромистых сталей при введении в сплав благородных металлов.

Анодная защита от внешнего источника основана на пропускании тока через защищаемый объект и на смещении потенциала коррозии в сторону более положительных значений.

Установка для анодной защиты состоит из объекта защиты, катода, электрода сравнения и источника электрического тока.

Основным условием возможности применения анодной защиты является наличие протяженной области устойчивой пассивности металла при плотности тока растворения металла не более (1,5-б.ОНО"1 А/м2.

Основным критерием, характеризующим состояние поверхности металла, является электродный потенциал. Обычно возможность применения анодной защиты для конкретного металла или сплава определяют методом снятия анодных поляризационных кривых. При этом получают следующие данные:

потенциал коррозии металла в исследуемом растворе;

протяженность области устойчивой пассивности;

плотность тока в области устойчивой пассивности. Эффективность защиты определяют как отношение скорости коррозии без защиты к скорости коррозии под защитой.

Как правило, параметры анодной защиты, полученные в лабораторных и производственных условиях, хорошо согласуются между собой. В зависимости от конкретных условий эксплуатации область защитных потенциалов при анодной защите лежит на 0,3-1,5 В положительнее потенциала свободной коррозии, а скорость растворения металлов при этом может уменьшится в тысячи раз. Существенным ограничением применения анодной защиты является вероятность возникновения локальных видов коррозии в области пассивного состояния металла. Для предотвращения этого явления на основании предварительных исследований рекомендуют такое значение защитного потенциала, при котором локальные виды коррозии не возникают; или в раствор вводят ингибирующие добавки. Например, анодная защита стали 12Х18Н1 ОТ в растворах хлоридов в присутствие ионов NO^ предотвращает образование питтингов и снижает скорость растворения стали в 2000 раз. В ряде случаев вследствие повышенной опасности возникновения локальных коррозионных процессов применение анодной защиты неэффективно. Резкий рост критического тока пассивации металлов с увеличением температуры агрессивных сред ограничивает применение анодной защиты в условиях повышенных температур.

При стационарном режиме работы установки величина тока поляризации, требуемого для поддержания устойчивого пассивного состояния, постоянно меняется вследствие изменения эксплуатационных параметров коррозионной среды (температуры, химического состава, условий перемешивания, скорости движения раствора и др.). Поддерживать потенциал металлоконструкции в заданных границах можно путем постоянной или периодической поляризации. В случае периодической поляризации включение и выключение тока производят либо при достижении определенного значения потенциала, либо при его отклонении на определенную величину. В обоих случаях параметры анодной защиты определяют опытным способом в лабораторных условиях.

В качестве катодов используют малорастворимые материалы, например, Pt, Та, Pb, Ni, платинированную латунь, высоколегированные нержавеющие стали и др. Схема расположения катодов проектируется индивидуально для каждого конкретного случая защиты.

Для успешного применения анодной защиты объект должен отвечать следующим требованиям:

материал аппарата должен пассивироваться в технологической среде;

конструкция аппарата не должна иметь заклепок, количество щелей и воздушных карманов должно быть минимальным, сварка должна быть качественной;

катод и электрод сравнения в защищаемом устройстве должны постоянно находится в растворе.

В химической промышленности для анодной защиты наиболее пригодны аппараты цилиндрической формы, а также теплообменники. В настоящее время анодная защита нержавеющих сталей применяется для мерников, сборников, цистерн, хранилищ в производстве серной кислоты, минеральных удобрений, аммиачных растворов. Описаны случаи применения анодной защиты теплообменной аппаратуры в производствах серной кислоты и искусственного волокна, а также ванн для химического никелирования.

3. Влияние температуры отпуска на износостойкость и коррозионные свойства азотсодержащей аустенитно-мартенситной стали 08Х14АН4МДБ

Изучено влияние температуры отпуска на структуру, износостойкость и коррозионные свойства стали 08X14АН4МДБ. По результатам механических и коррозионных испытаний построена матрица оптимизации, по которой определена оптимальная температура отпуска.

3.1 Введение

Одним из требований, предъявляемых к нержавеющей стали, является оптимальное сочетание ее механических и коррозионных свойств. Это является необходимым условием при выборе материалов, работающих в агрессивных средах под воздействием нагрузок. Фазовый состав, и, как следствие, прочностные характеристики некоторых высокохромистых сложнолегированных сталей, легированных азотом, находятся в определенной зависимости от температуры отпуска [1]. При отпуске в этих сталях происходит выделение нитридов хрома, которые являются упрочняющей фазой. Однако процесс выделения хрома из твердого раствора приводит к снижению коррозионных свойств стали. Вследствие этого важной задачей является разработка режима термической обработки, позволяющего получить оптимальное сочетание прочности и коррозионной стойкости таких сталей.

Цель работы -- определить влияние температуры отпуска на износостойкость и сопротивление питтинговой коррозии стали 08Х14АН4МДБ для выбора оптимального режима ее термической обработки.

3.2 Методика проведения исследований

Исследовали сталь 08Х14АН4МДБ следующего химического состава: 0,08% С; 1,78% Мо; 0,91 % Мп; 14,29 % Сг; 0,14 % N; 4,6 % №; 0,01 % V; 0,4 % Си; 0,06 % Nb; 0,02 % Ti; < 0,010 % Р; < 0,006 % S. Сталь выплавляли в дуговой электропечи на заводе "ЭЛЕКТРОСТАЛЬ". Слитки массой 500 кг ковали на заготовки 0 100 мм при ?н=1200° С и /к = 900°С

Относительная износостойкость (результаты настоящей работы). Примечание. Сталь 08Х14АН4МДБ перед отпуском подвергали закалке от 1050 °С, сталь 08Х18Н10Т -- закалке от 1100 °С (температуры начала и конца ковки соответственно). Кованые заготовки прокатывали на прутки 0 19 мм при tH = 1150 °С и /к = 900 °С. Из прутка 0 19 мм изготовляли заготовки размером 0 19 х 30 мм.

Закалку заготовок осуществляли по режиму: 1050 °С (1 ч), охлаждение в воде. Температура закалки была выбрана с учетом данных работы [2]. Отпуск проводили в камерных печах типа СНОЛ при 300, 400, 500, 600, 700 °С в течение 2 ч.

Испытания на износостойкость осуществляли на установке Шкода-Савина на образцах размером 0 19 х 5 мм после отпуска при различных температурах. В качестве контртела использовали шлифовальный ролик из твердого сплава диаметром 30 и шириной 2,5 мм. Давление на ролик 150 Н, число оборотов 675 мин"1. В процессе испытаний на образце под действием вращающегося стандартного ролика формировалась канавка. Износ образца и эталона (твердого сплава) оценивали по длине канавки, измеренной с помощью микроскопа. На каждом образце проводили по 3 -- 5 измерений.

Относительную износостойкость е рассчитывали по формуле:

где /эт и /обр -- длина канавки, образовавшейся в эталоне и образце соответственно.

Для определения стойкости к питтинговой коррозии снимали анодно-поляризационные кривые для стали 08Х14АН4МДБ после отпуска при различных температурах. Испытания проводили по трехэлектродной схеме в стандартной электролитической ячейке согласно методу ASTM G-48 в растворах: 10% FeCl3 и 1 М NaCl при нормальных условиях. Растворы готовили из реактивов марки ч.д.а. В качестве растворителя применяли дистиллированную воду. При испытаниях получали потенциодинамические зависимости тока от потенциала. В качестве источника поляризации использовали потенциостат ПИ-50-1 и установку с вращающимся дисковым электродом, специально сконструированную и изготовленную в Институте электрохимии им. А. Н. Фрумкина РАН. Абсолютная погрешность регулирования потенциала рабочего электрода составляла ± 0,5 мВ. Задающим устройством для потенциостата служил источник регулируемого напряжения -- программатор ПР-8, основная абсолютная погрешность которого составляет ± 5 мВ. Потенциодинамический метод, использованный при испытаниях, позволял измерять ток поляризации при строго определенном потенциале рабочего электрода, который последовательно увеличивали с помощью потенциостата на АЕ = 0,1 В. Для каждого образца проводили по 5 измерений потенциала, по результатам которых вычисляли среднее арифметическое значение потенциала для соответствующего значения плотности тока.

По результатам механических и коррозионных испытаний строили матрицу оптимизации и по методике [4] определяли оптимальный режим термической обработки, соответствующий наилучшему сочетанию прочностных и коррозионных характеристик.

3.3 Результаты исследований и их обсуждение

Образец, закаленный от 1050 °С, содержит 71 % мартенсита, 29 % аустенита и небольшое количество дисперсных частиц нитрида хрома, которые выделились из аустенита при его распаде в процессе охлаждения от температуры закалки. С повышением температуры отпуска закаленной стали 08Х14АН4МДБ от 300 до 500 °С ее твердость возрастает от 429 до 500 HV, что вызвано образованием дисперсных нитридов. При температурах отпуска tmn = 600 и 700 °С происходит коагуляция нитридов, распад пересыщенного (а + у) - твердого раствора с образованием феррита, что вызывает снижение механических свойств.



Сравнивали механические и коррозионные свойства сталей 08Х14АН4МДБ и 08Х18Н10Т, близких по возможной области применения.

Анализ данных табл. 1 показал, что прочностные характеристики стали 08Х14АН4МДБ более чем в 2,5 раза выше, чем у стали О8Х18Н1ОТ.

Исследования износостойкости стали

08Х14АН4МДБ показали корреляцию между значениями ее твердости и относительной износостойкости е. С повышением температуры отпуска износостойкость возрастает от е = 29 % (после закалки) до максимального значения е = 38 % (после отпуска при 500 °С). При ;отп = 600 °С износостойкость снижается до е = 29 %, а при 700 °С -- до е = 28 % (табл. 1).

При исследовании коррозионных свойств были построены вольтамперные кривые, позволяющие выявить наиболее вероятные анодные процессы, протекающие при коррозии. В практике коррозионных исследований такие кривые принято получать потенциодинамическим методом для ускорения исследования. В табл. 2 приведены потенциалы анодного растворения сталей в нейтральном растворе 1 М NaCl и кислом растворе 10% FeCl3 (скорость развертки потенциала 2 мВ/с). Видно, что потенциал окислительно-восстановительной реакции среды Еов и потенциал активации Езкт зависят от температуры отпуска. Уровень сопротивления питтинговой коррозии в растворе 1 М NaCl в закаленном состоянии и после отпуска при 300, 400 и 500 °С почти одинаков, что объясняется мало отличающимся фазовым составом стали. При повышении температуры отпуска от 500 до 600 °С количество ос-фазы увеличивается от 82 до 95 %, что отражается на коррозионной стойкости -- разность потенциалов (АЕ) снизилась более чем в 2 раза. Аналогичная картина наблюдается и после отпуска при 700 °С.

Испытания в кислой среде 10 % FeCl3 показывают (табл. 2), что резкое снижение потенциала анодной активации происходит после отпуска при 600 °С. По-видимому, азот в этой стали оказывает положительное влияние на коррозионную стойкость в результате снижения тока пассивации и ускорения образования пассивирующей пленки.

Отпуск при 600 °С приводит к перераспределению атомов внедрения, повышению эффективности катодных участков и увеличению количества а-фазы до 95 %. При температуре отпуска 700 °С происходит снижение плотности дефектов и коагуляция кар-бонитридных фаз, что приводит к уменьшению скорости коррозии. Количество а-фазы незначительно снижается. По-видимому, азот, растворяясь в кислой

среде с получением ионов аммония, повышает рН раствора, чем репассивирует зарождающиеся питтинги.

Для выбора оптимальной температуры отпуска, удовлетворяющей требованиям высокой коррозионной стойкости и прочностных характеристик, была составлена матрица оптимизации по методике [4]. В эту матрицу (табл. 3) внесены значения сочетаемых равнозначных по важности параметров (АЕ, со,2 > ств > 5, HV, г) и соответствующие режимы термической обработки. Для всех значений каждого параметра рассчитывали баллы. Для каждого режима термической обработки определяли общий (суммарный) балл. По максимальному баллу, равному 33,98, определили оптимальную температуру отпуска tmn = = 500 °С.

Выводы

1. Коррозионные свойства азотсодержащей аустенитно-мартенситной стали 08Х14АН4МДБ зависят от температуры отпуска: стационарный потенциал реакции среды и потенциал активации стали в нейтральном (1 М NaCl) и кислом (10 % FeCl3) растворах с повышением температуры отпуска закаленной стали до 500 °С практически не изменяются и резко уменьшаются при torn = 600 - 700 °С вследствие выделения нитридов. При температурах отпуска до 500 °С сопротивление коррозии стали высокое.

Максимальные износостойкость (е = 38 %) и твердость (500 ЯК) стали 08Х14АН4МДБ достигаются после закалки и отпуска при 500 °С (71 % мартенсита и 29 % аустенита), что обусловлено дисперсионным упрочнением мартенситной матрицы.

Определен оптимальный режим термической обработки стали 08Х14АН4МДБ, повышающий ее прочность с сохранением высоких коррозионных свойств: закалка от 1050 °С и отпуск при 500 °С, 2 ч.

Список литературы

1. Елистратов А.В., Блинов В.М., Рахштадт А.Г. и др. Влияние химического состава и структуры высоко хромоазотистых сталей на их коррозионную стойкость // МиТОМ.2003. №10. С. 21-25.

2. Блинов В.М., Банных О.А., Костина М. В. и др. Влияние термической обработки на структуру и свойства азотсодержащей аустенитно-мартенситной стали 08Х14АН4МДБ //Металлы. 2004. № 6. С. 73-85.

3. Марочник сталей и сплавов: Справочник. 2-е изд. / Подред. А.С. Зубченко. М.: Машиностроение, 2004. 784 с.

4. Третьяков В.И., Хасянов М.А. Оптимизация выбора конструкционных материалов и способов их упрочнения. М.:МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1996. 50 с.