Пути предотвращения восприимчивости металла к межкристаллитнои коррозии

Термическая обработка. Наиболее простым способом является следую-щая термическая обработка сварных соединений. Аустенитные стали, нагретые в интервале температур 950-1150° С с по­следующим быстрым охлаждением, а ферритные при 700-750° С, не склонны к межкристаллитной коррозии. Однако применение тер­мической обработки значительно удорожает стоимость изделия и, кроме того, ее нельзя осуществить для крупногабаритных сварных изделий.

Металлургические средства борьбы с коррозией. К числу метал­лурги-ческих способов борьбы с восприимчивостью сталей к меж­кристаллитной кор-розии относятся следующие: снижение содержания углерода; добавка элемен-тов (титана, ниобия, тантала), обладаю­щих большим сродством к углероду, чем хром; изменение химиче­ского состава металла с целью обеспечения гетерофаз-ной аустенитно-ферритной структуры.

Чем меньше углерода в аустенитной стали, тем более длительное время она может находиться в области воздействия критических температур до появ-ления склонности к межкристаллитнои коррозии.

Установлена зависимость склонности к межкристаллитной коррозии про-мышленной плавки сталей с 9-11% никеля от содер­жания хрома и углерода.

Стали исследовались после закалки с 1050° С на воздухе с последующим от-пуском при температуре 650° С в течение одного часа. Оказалось, что при содержании хрома 18% и углерода 0,02% вероятность стойкости против меж-кристал­литнои коррозии достигает 99,8% (рис. 34).

 

Рисунок 34 - Влияние соотношения углерода и хрома в аустенитной хро- моникелевой стали на склонность ее к межкриссталитной коррозии после провоцирующего нагрева при 650°С вдоль 1ч.

При увеличении содержания хрома можно допустить до 0,04 % С. Максимально допус­тимое содержание углерода в зависимости от содержания хрома определяется выражением:

Сr — 80С>16,8. (3)

Важно знать продолжительность выдержки в интервале критических тем-ператур стали на проявление склонности ее к межкристаллитной коррозии. На рис. 35 представлены области восприимчивости к меж­кристаллитной коррозии сталей ти­па 18-10 с различным содержанием углерода.

Рисунок 35 - Влияние углерода в аустенитных сталях 18-10 и продолжительности выдержки в критическом интервале температур на склонность их к мtжкристаллитной коррозии.

Из графиков видно, что с уменьшением содержания углеро­да в стали заметно возрастает время нагрева и снижается температура, при которой появляется склонность к межкристаллитной коррозии.

В тех случаях, когда аустенитная сталь или шов подвергает­ся кратковре-менному тепловому воздействию в критическом интерва­ле температур, меж-кристаллитная коррозия в них может не появ­ляться даже при содержании угле-рода до 0,07-0,08%. Практика однако показывает, что для этого лучше иметь несколько меньшее содержание углерода (~ 0,05%). Для особо ответст­венных изделий следует при­менять стали, содержащие 0,03% С, тем более, что, как отмечалось, за последние годы в Советском Союзе успешно налаживается про-мышленное производство высоколегиро­ванных сталей со сверхнизким (0,03 и даже 0,02%) содержа­нием углерода.

Введение в сталь молибде­на, ванадия, кремния повыша­ет эффективное содержание хрома, способствуя уменьшению склоннос­ти металла к межкрис-таллитной коррозии. Молибден и особенно вана­дий частично связывают угле-род в карбиды, уменьшая тем самымвыделение карбидов хрома из твердого раствора. Кроме того, мо­либден, ванадий и кремний, растворенные в аустените, увеличивают скорость диффузии хрома в твердом растворе, способствуя вырав­ниванию его содержания по телу зерна при выделении карби­дов хрома в крити-ческом интервале температур. На рис. 36 показа­но благоприятное влияние мо-либдена на повышение стойкости аусте­нитной хромоникелевой стали против межкристаллитной коррозии.

 

 

Рис. 36. Влияние молибдена на восприимчивость аустенитной стали к межкристаллитной кор­розии (выдержка в течение 700 ч в кипящем растворе серной кис­лоты и медного купороса; сплош­ная линия—сталь 03Х18Н15; пунктирная — сталь 03Х18Н15М2).

 

Снижение содержания углерода в ферритных сталях менее эффективно, чем в аустенитных. Ферритная сталь может быть склонной к межкристаллитной корро­зии даже при содержании углерода 0,01%. Восприимчивость к коррозии ферритной стали с 25% хрома предот­вращается при снижении содержания уг-лерода в ней до 0,002% в процессе вакуумной выплавки. Однако достиже­ние такого содержания углерода в ста­лях промышленного производства в настоя-щее время практически пока не освоено.

Наиболее эффективным способом устранения склонности сталей к меж­кристаллитной коррозии является вве­дение элементов, имеющих большее сродство к углероду, чем хром (Ti, Nb, Та, Zr,V, W). Наиболее устойчивые карбиды образуют Ti, Nb, Та.

Связывая избыточный углерод стали в прочные карбиды, эти элементы исключают возможность выделения карбидов хрома и обеднение пограничных слоев зерен хромом при нагреве в критическом интер­вале температур. В случае, если пребывание стали в области крити­ческих температур кратковременно, как это имеет место при сварке, то соотношение между содержанием углерода и титана может быть выражено формулой Ti > 5 х (С — 0,02). Если же изделие подвергается длительному воздействию критических температур, то содержа-ние титана должно быть несколько выше:

Ti>7(C —0,02). (4)

В обоих выражениях количество титана, необходимое для пол­ной стаби-лизации, взято несколько выше необходимого по формуле карбида титана TiC (отношение Ti/C=4)). Это вызвано тем, что неко­торое количество титана ос-тается в твердом растворе, а часть - расхо­дуется на связывание азота, который всегда содержится в стали в качестве сопутствующей примеси.

В том случае, если сталь легирована ниобием и работает в тяже­лых усло-виях (подвергается длительному нагреву в области темпе­ратур 450-800° С), ре-комендуется, чтобы содержание ниобия в 10-12 раз превосходило содержание углерода (отношение Nb/C=8 для химического соединения NbC).

Если же сталь подвергается кратковременному воздействию критических температур, например, при сварке, содержание нио­бия, необходимое для ста-билизации углерода, может быть определено по формуле

Nb = 0,093 + 7,7 (С — 0,013) + 6,6 (N — 0,022). (5)

Легирование титаном и ниобием способствует предотвращению склон-ности к межкристаллитной коррозии и ферритных сталей. При этом содержа-ние титана рекомендуется определять, исходя из выражения

Ti > 8С. (6)

Весьма эффективно введение в хромистую сталь молибдена. Так, на об-разце из стали 12Х17М2Т при отношении Ti/C = 3,3 межкристаллитная кор-розия после воздействия сварочного нагрева не на­блюдалась, тогда как у стали 12Х17Т с таким же соотношением Ti/C она была значительна. Склонность аус-тенитного металла к межкристаллитной коррозии значительно уменьшается при на­личии ферритной фазы. Изменяя содержание хрома и никеля в стали, можно получить то или иное количество ферритной фазы. Так, для стали с 18% хрома, 8% никеля и 0,1 углерода достаточно увеличить содержание хрома до 20%, чтобы получить двухфазную структуру.

В сварочной практике получение необходимого количества фер­ритной фазы (3-8%) в аустенитном шве обеспечивается путем дополнительного леги-рования сварных швов хромом, кремнием, а иногда молибденом, ванадием.

Роль ферритной фазы в предотвращении склонности металла к межкрис-таллитной коррозии заключается в следующем. В присут­ствии феррита общая протяженность границ зерен увеличивается, а количество выделяющегося в ви-де карбидов углерода из единицы площади поверхности зерен уменьшается. Благодаря этому умень­шается и степень обеднения пограничных слоев зерен хромом. В двухфазном металле карбиды выделяются по границам феррит­ных зерен. Содержание хрома в феррите выше, чем в находящемся с ним в рав-новесии аустените. В связи с этим обеднение границ фер­ритных зерен хромом не вызывает нарушение их пассивного со­стояния. Ферритные зерна, распола-гаясь между аустенитными и окружая их, препятствуют воздействию агрессив-ной среды на грани­цы зерен аустенита, предотвращая тем самым развитие кор-розии вглубь металла.

Метод предотвращения склонности металла шва к межкристал­литной коррозии путем обеспечения аустенитно-ферритной струк­туры распространен довольно широко. Однако выбор сварочных материалов, обеспечивающих аустенитно-ферритную структуру шва, должен учитывать условия эксплуата-ции сварного изделия. Так, ванадий и кремний при содержании их более чем по 0,8% ухудшают коррозионную стойкость металла шва в окислительных средах повышенной агрессивности. В этом случае гораздо целе­сообразнее варьировать содержанием в шве хрома и никеля.

Рассмотренный способ обеспечения наличия ферритной фазы практичес-ки не пригоден в случае, если изделие работает в неокисли­тельных средах, вы-зывающих избирательную коррозию с преиму­щественным растворением фер-рита, например, в изделиях, изго­товленных из сталей 06Х23Н28МЗДЗТ, 08Х17Н16МЗТ и им подобных и предназначенных для производства концен-трированной серной кислоты, карбамида, мочевины и др. [163, 286].