коррозия металла

Железо и обычная углеродистая сталь при соприкосновении с влажным воздухом ржавеют. Процесс ржавления включает образование окислов, гидроокиси, карбонатов и т. п., в результате чего металл превращается в минералы, из которых он был получен путем длительной переработки, начиная от добычи руды и кончая созданием металлоконструкции. Процесс разрушения металла под воздействием среды в технике получил название коррозии. В мире ежегодно теряется от коррозии около 20 млн. т железа, что составляет примерно 10% всего производимого количества железа.

Два вида коррозии — химическая и электрохимическая

Химическая коррозия происходит под действием газов и жидкостей, не проводящих электрический ток (бензин, керосин, смолы и т. к.); электрохимическая — под действием жидкостей, проводящих электрический ток (вода, щелочи, кислоты и т. п.).

Большинство углеродистых сталей подвержено химической и электрохимической коррозии. Для предохранения их от разрушения применяют различные антикоррозионные покрытия (окраску, оцинковку, хромирование, никелирование).

Легированные хромом стали обладают высокой стойкостью против химической коррозии и не нуждаются в антикоррозионных покрытиях. Этими свойствами сталь обладает благодаря пассивности хрома на воздухе. Железо тоже можно сделать пассивным в различных средах (азотной кислоте, некоторых щелочных растворах), но на воздухе оно становится активным. Кроме того, стали, содержащие значительные количества хрома и других легирующих элементов, хорошо сопротивляются образованию окалины, т. е. являются жаростойкими.

Нержавеющей сталь становится при содержании хрома более 12%, когда образуется плотный поверхностный слой окиси хрома, который и предохраняет металл от окисления (ржавления). Большое влияние на сопротивляемость коррозии оказывает физико-химическое состояние хрома в сплаве. Наилучшая сопротивляемость достигается, когда весь хром находится в твердом растворе и сталь имеет однофазную структуру.

Наряду с ценными свойствами нержавеющие стали имеют существенный недостаток — они склонны к межкристаллитному и другим видам коррозионного разрушения.

Межкристаллитная коррозия — это разрушение металлов по границам кристаллов (зерен) под воздействием среды. Нагрев стали может способствовать проявлению этого вида коррозии. В интервале температур 430 — 850°С по границам зерен аустенита выпадают карбиды хрома, в результате наружные слои аустенитного зерна теряют стойкость против коррозии.

Стальная пластина, подверженная межкристаллитной коррозии, настолько теряет металлические свойства, что при ударе не издает характерного для металла звука.

Карбиды образуются даже при температуре 400°С, по при очень длительной выдержке. Наиболее быстрое образование карбидов происходит при температурах 750 — 850°С. Нагрев стали выше 850°С приводит к растворению в аустените ранее образовавшихся карбидов хрома.

При сварке хромоникелевых сталей всегда есть участки основного металла, нагретого до «опасных» температур. На этих участках может возникнуть межкристаллитная коррозия. При однопроходной сварке, когда примыкающие к шву участки металла короткое время находятся под воздействием опасного нагрева, склонность к межкристаллитной коррозии проявляется весьма редко. Длительное пребывание в зоне опасного нагрева способствует резкому возрастанию этой склонности. В случае многопроходной сварки «топкими» валиками с полным охлаждением стыка после каждого прохода склонность к коррозионному разрушению заметно меньше, чем при сварке «толстыми» валиками без охлаждения.

Способы борьбы с межкристаллитной коррозией

Первый предусматривает снижение содержания углерода в стали до предела растворимости его в аустените при комнатной температуре. Хромоникелевые стали, содержащие 0,02—0,03% углерода, практически невосприимчивы к межкристаллитной коррозии в зоне «опасных» температур. Однако производство стали с таким малым количеством углерода значительно удорожается, ее прочность снижается и она становится склонной к охрупчиванию под воздействием температур 450 — 500°С.

Второй способ основан на дополнительном легировании хромоникелевой стали специальными элементами, способными соединяться с углеродом быстрее, чем хром. Такими элементами являются титан, ниобий и тантал. Эти элементы соединяются с избыточным углеродом, образуя соответствующие карбиды, при этом содержание хрома в поверхностных слоях зерен аустенита не снижается.

Являясь активными карбидообразователями, титан и ниобий действуют как ферритизаторы. Сталь с чисто аустенитной структурой они превращают в аустенито-ферритную. Количество таких элементов в стали зависит от содержания углерода и должно быть небольшим: титана в среднем в пять раз больше, чем углерода, ниобия — в среднем в восемь раз больше. В промышленности отдается предпочтение сталям, легированным титаном. Для большей гарантии содержание углерода в хромоникелевых аустенитных сталях уменьшено до 0,08%, а в проволоке дли сварки — до 0,06% и даже до 0,04%.

Хромоникелевые стали с содержанием углерода более 0,1% часто проявляют склонность к межкристаллитной коррозии, несмотря на наличие титана. Например, сталь Х18Н10Т, содержащая 0,12% углерода, сильнее проявляет склонность к межкристаллитной коррозии, чем сталь OX18H1OT, содержащая 0,08% углерода. Любая аустенитная сталь, легированная титаном или ниобием, с содержанием углерода До 0,15%, может обладать достаточной стойкостью против межкристаллитной коррозии, или соотношение титана и углерода или ниобия и углерода таково, что весь углерод связан в карбиды титана или ниобия.

Межкристаллитная коррозия в основном металле и околошовной зоны

Хромистые стали, как и хромоникелевые, склонны к межкристаллитной коррозии, особенно при перегреве их свыше 980°С и быстром охлаждении. Поэтому разрушению подвергается чаще всего зона сплавления.

Легирование 17%-ной хромистой стали титаном или ниобием частично уменьшает склонность ее к межкристаллитной коррозии, а также способствует повышению механических свойств сварных соединений. Титан как карбидообразующий элемент уменьшает рост зерна в зоне перегрева.

Ножевая, точечная, щелевая коррозия и коррозия под напряжением

Ножевая коррозия — сосредоточенная межкристаллитная коррозия, проявляющаяся на границе шва и основного металла. Чаще всего она поражает участки нержавеющей стали, которые претерпевали нагрев до температур, близких к температуре плавления, а после этого подвергались длительному воздействию опасных температур, близких к 650°С.

Особенно быстро происходит разрушение вследствие ножевой коррозии у трубопроводов и сосудов, транспортирующих кипящую азотную кислоту. В этих условиях происходит разрушение металла в зоне сплавления на глубину до 30 мм в год.

Склонность сварных соединений к ножевой коррозии у различных нержавеющих сталей неодинакова. Так, при сварке сталей марок 0Х18Н10Т и Х17Н13М2Т проявляется большая склонность к ножевой коррозии, чем при сварке сталей марок 0Х18Н12Б н 00X18Н10.

Скорость коррозионного разрушения различных участков, начиная от линии сплавления, также неодинакова. Наибольшая скорость разрушения характерна для участка сварного соединения, нагретого в интервале температур 1200—1500°С, т. е. рядом со швом. По мере удаления от этой зоны степень разрушения уменьшается.

Склонность к ножевой коррозии зависит не только от состава стали, но и от ее структуры. Однофазные аустенитные стали более склонны к ножевой коррозии чем двухфазные.

Чтобы предотвратить ножевую коррозию, необходимо выполнять все рекомендации по борьбе с межкристаллитной коррозией. В частности, при сварке многослойных швов валики, обращенные к агрессивной среде, следует выполнять в последнюю очередь, чтобы участки околошовной зоны последнего валика не подвергались длительному тепловому воздействию.

Точечная коррозия — местное (очаговое) разъедание металла. Этот вид коррозии более опасен, так как проявляется очень быстро. Основной причиной точечной коррозии является наличие хлора в рабочей среде (воде, паре, жидкостях). Способствовать возникновению очагов точечной коррозии могут пыль, ржавчина и осадки веществ, содержащих хлор. Эти загрязнения разрушают защитную пленку нержавеющей стали, и сталь начинает активно ржаветь.

В некоторых случаях точечную коррозию вызывают местные механические повреждения от резца, кувалды, ломика, напильника и т. п. На поврежденном участке остаются мелкие кусочки обыкновенной углеродистой стали, с которых и начинается ржавление.

Хромоникелевые стали типа 18-8 и 12%-ные хромистые стали (типа Х13) не обладают достаточной стойкостью против точечной коррозии в морской воде и подвержены сильной местной коррозии в морском воздухе, насыщенном парами хлористых солей.

Сталь 1Х17Н2 обладает более высокой коррозионной стойкостью в морской среде (воде и воздухе) и химических средах, чем 12%-ные хромистые стали.

Щелевая коррозия — разъедание металла в местах соприкосновения двух деталей, когда между ними есть жидкость или газ.

Такие условия возникают в щелях фланцевых соединений трубопроводов, в зазорах между подкладным кольцом и внутренней поверхностью трубы, в местах непроваров на всех видах сварных узлов, работающих в воде, кислотах и парах многих жидкостей. Отмечено, что наибольшая опасность разрушения от щелевой коррозии возникает в зазорах (щелях) менее 0,05 мм. В местах непровара зазор уменьшается приблизительно в 8—10 раз из-за поперечного укорочения (усадки) металла при остывании. Иногда соприкосновение непроверенных кромок, благодаря усадке, настолько плотное, что щель от непровара измеряется микронами и ее можно обнаружить лишь после тщательного шлифования. Вот такое «плотное» соприкосновение при работе (температуре, давлении, ударах) раскрывается и становится щелью — очагом коррозионного разрушения сварного узла.

Коррозия под напряжением — растрескивание стали под одновременным воздействием коррозионной среды и механических напряжений. К этой коррозии особенно склонны детали и узлы, которые подвергались гибке, штамповке, сварке и т. п.

Часто трещины появляются вблизи шва и на внутренней поверхности трубопровода. Причинами образования трещин служат коррозионная среда и высокие напряжения в трубах, возникающие в результате чрезмерного натяга при сборке (стягивании) и сварке на монтаже трубопровода. Аналогичное растрескивание вызывают остаточные напряжения после гибки и рихтовки сварных конструкций. Известны случаи, когда у аустенитной стали коррозионное растрескивание в воде начиналось при незначительных напряжениях, порядка 3,5 кг/мм2. Очагами для образования коррозионных трещин являлись микроскопические поверхностные дефекты (язвы, царапины, нрижоги и т. п.).

Замечено, что аустенитные стали с более высоким содержанием никеля менее чувствительны к такому растрескиванию. Мало чувствительны к коррозии под напряжением стали полуферритного класса, содержащие более 15% хрома. К ним относятся стали марок X17, 0X17T и др.

Коррозии под напряжением часто сопутствует межкристаллитная коррозия. Чтобы исключить возможность ее появления, необходимо строго соблюдать все предписанные меры предосторожности.

Если нет гарантии, что изделие изготовлено при строгом соблюдении мер предосторожности, для предотвращения или уменьшения склонности к любому коррозионному растрескиванию сварной узел следует подвергнуть термической обработке — стабилизации.

Кавитация — механическое разрушение поверхности металла под действием движущейся жидкости. Иногда этому разрушению сопутствует коррозионное разрушение. Степень кавитации в разных жидкостях различна, но известно, что в морской воде и кислотах она выше, чем в маслах. Механизм этого явления еще не изучен, но предполагается, что главной причиной кавитации является неравномерность движения жидкости, в результате которой периодически на различных участках поверхности то возникают, то исчезают зоны пониженного давления с образованием в них паровых карманов. Исчезновение карманов сопровождается ударами под давлением в несколько сот атмосфер на очень малой площади, приводящими к разрушению поверхности.

С повышением твердости кавитация усиливается, поэтому при сварке некоторых нержавеющих сталей необходимо избегать образования хрупкой и твердой околошовной зоны.