Материал: Kushner - Materialovedeniye 2008

териалом обрабатываемой детали, вследствие чего легче отделяется стружка. Легирование стали 0,15–0,3% Рb повышает скорость резания на 20–35%.

Сера в количестве 0,08–0,3 % находится в воде сульфидов марганца, вытянутых в направлении прокатки. Сульфиды оказывают смазывающее действие, нарушая при этом сплошность металла.

Фосфор в количестве 0,06% повышает хрупкость феррита, облегчая отделение стружки металла во время процесса резания.

Таблица 11.1.

Химический состав и механические свойства автоматных сталей

Оба элемента способствуют уменьшению налипания стружки на режущий инструмент и получению гладкой блестящей обрабатываемой поверхности. Однако повышенное содержание этих элементов ухудшают механические свойства, поэтому такие стали используют для изготовления изделий неответственного назначения.

Стали с повышенным содержанием серы и фосфора относятся к группе автоматных сталей и маркируются буквой А и цифрами, показываю-

136

щими среднее содержание углерода в сотых долях процента. Если автоматная сталь легирована свинцом, то обозначение марки начинается с сочетания букв «АС». Буква Е в марке стали говорит о том, что в состав входит селен.

Химический состав и механические свойства некоторых автоматных сталей приведены в таблице 11.1.

Применение автоматных сталей обеспечивает снижение сил резания на 20–25%, уменьшение износа инструмента в два– десять раз, повышение скорости резания на 20–40% при сохранении стойкости инструмента.

137

12.КОРРОЗИОННОСТОЙКИЕ, ЖАРОСТОЙКИЕ

ИЖАРОПРОЧНЫЕ СТАЛИ И СПЛАВЫ

12.1.Коррозионная стойкость сталей и сплавов.

Коррозия – это термин, используемый для обозначения широкого класса видов нежелательного повреждения металла в результате его химического или электрохимического взаимодействия с окружающей средой.

Под повреждением понимается образование различных коррозионных дефектов (каверн, язв, питтингов, трещин), утонение толщины стенок, деградация свойств и строения (изменение структуры связано в основном с субструктурой матрицы металла) материала несущих элементов конструкции в процессе эксплуатации и ведущее к потере или снижению её работоспособности. Коррозия многообразна в своём проявлении и ведёт в конечном итоге к разрушению материалов (в первую очередь за счёт локальных видов коррозии) и выходу оборудования из строя.

Коррозия является самопроизвольным процессом, вызванным термодинамической неустойчивостью металлов, т. е. стремлению к уменьшению свободной энергии в различных средах при данных внешних условиях.

Определить возможность протекания коррозии, как химического или электрохимического процесса, можно по изменению энергии Гиббса (свободной энергии):

где F - число Фарадея; Е - разность потенциалов φK и φA, характеризующих катодную и анодную реакции, которые определяются уравнениями Нернста:

ризатора (катода) и металла (анода) соответственно; aD и aMe – активность

соответствующих ионов на катоде и аноде.

Величины стандартных электродных потенциалов различных металлов позволяют приближенно судить о термодинамической нестабильности металлов: чем более электроотрицателен потенциал металла, тем он активнее отдает свои электроны.

Если рассмотреть типичную реакцию окисления для металлов:

2Ме + z2O2 +zН2O → Ме(OН)2,

то ∆G (для стандартных условий) для реакций превращения в гидроксиды Мg, Cu, Аu составит, соответственно, – 598 ( φ0 = –2,363 В), – 120 ( φ0 = 0,520 В) и + 66 КДж/моль (φ0 = 1,692 В). Следовательно, Мg более склонен к окислению, чем Сu, окисление Аu невозможно.

138

Коррозии подвержены все металлические и неметаллические материалы. Из этого черного списка надо исключить принудительное растворение металлов в кислотах c целью получения солей и процессы гальванотехники, радиоактивный распад, эрозию, износ трущихся деталей, шлифование. На скорость и механизм коррозионных процессов большое влияние могут оказывать внешние факторы – температуры, давление среды, напряжение, скорость потока жидкости и газа, наличие трения, кавитации, облучения.

По природе гетерогенных процессов взаимодействия окружающей среды с металлами эти процессы можно разделить на два основных типа:

∙химическая коррозия протекает в сухой атмосфере и чаще всего при повышенных температурах (газовая коррозия). Этот же тип коррозии металлических материалов наблюдается при взаимодействии с неэлектролитами;

∙электрохимическая коррозия (ЭКХ) – самопроизвольное разрушение металлических материалов вследствие взаимодействия их с электролитически проводящей средой.

Газовая коррозия металла протекает при его взаимодействии с газами

(О2, N2, СО2, SO2, H2 и др.) при повышенных температурах (закалка, отжиг, ковка, прокатка – технологические процессы, а также выхлопные газы ДВС и дизелей, отвод газов в металлургической и нефтехимической промышленностях).

Кэлектрохимической коррозии относятся:

∙коррозия в электролитах – кислотная, щелочная, солевая, морская и

т. п.;

∙почвенная – ржавление металла в грунте (подземные трубопроводы);

∙структурная коррозия – разрушение связано с повышенной коррозионной активностью одного из компонентов сплава из-за его структурной неоднородности;

∙электрокоррозия – разрушение металлов под действием блуждающих токов;

∙контактная коррозия – интенсивное разрушение металлов, имеющих разные электродные потенциалы («Медь– алюминий»);

∙щелевая коррозия – усиленное разрушение в зазорах, резьбовых соединениях, между фланцами;

∙коррозия под напряжением – агрессивная среда в сочетании с внешними нагрузками;

∙эрозионная коррозия – разрушение металла вследствие одновременного воздействия среды и механического износа;

∙кавитационная коррозия – разрушение металла при одновременном воздействии удара и агрессивной среды;

139

∙ фриттинг-коррозия - разрушение металла механическим истирающим воздействием при наличии коррозионной среды.

Электрохимическая коррозия развивается в результате работы множества короткозамкнутых гальванических элементов, образующихся вследствие неоднородности металлического материала или внешней среды. Неоднородность поверхности материалов связана с концентрационной неоднородностью сталей и сплавов (ликвацией), границами зерен, присутствием различных включений, анизотропностью свойств отдельных кристаллитов, несплошностью и различным составом поверхностных пленок, неоднородностью деформаций и напряжений в металлах.

В зависимости от характера разрушения различают равномерную, протекающую примерно с одинаковой скоростью по всей поверхности метала, помещенного в коррозионную среду, и локальную, охватывающую только некоторые участки поверхности (точечная, щелевая, межкристаллитная, избирательная коррозии – в зависимости от характера разрушаемых участков).

По механизму действия все методы борьбы с коррозией можно разделить на 2 основные группы: электрохимические (термическая обработка, легирование, пассивация, ингибирование среды, химико-термическая обработка, диффузионная металлизация, протекторная защиты и т. д.), оказывающие влияние на потенциал металла или его критического значения, и механические (лакокрасочные и пластмассовые покрытия, консервация, эмалирование и т. д.), изолирующие металл от воздействия окружающей среды созданием защитной плёнки и покрытий.

12.2. Коррозионно-стойкие стали

Коррозионно-стойкими (нержавеющими) называют металлы и спла-

вы, в которых процесс коррозии развивается с малой скоростью. Коррози- онно-стойкие стали применяют для изготовления деталей машин и оборудования и конструктивных элементов, работающих в разных агрессивных средах (влажная атмосфера, морская вода, кислоты и растворы солей, щелочей, расплавы металлов и др.).

В зависимости от химического состава стали и сплавы разделяют на классы по основному составляющему элементу: хромистые, хромоникелевые, хромомарганцевые и другие, а также сплавы на основе никеля. В зависимости от структуры: ферритные, мартенситные, аустенитные.

Основной легирующий элемент в коррозионных сталях – хром с содержанием от 12–30%. Железо и хром образуют непрерывный ряд твердых растворов, а также интерметаллид – σ-фаза. Хром с углеродом образует карбид Cr23C6 более устойчивый в сравнении с цементитом, а также карбид Cr7C3 . В зависимости от соотношения углерода и хрома можно выде-

140