Чому іржавіють нержавіючі вироби

«…У нас проблема, виготовили апарат з нержавіючої сталі, а через місяць роботи він став схожим на решето, тріщини вздовж зварних швів, допоможіть, що робити. »

Останнім часом у НУО Рокор спостерігається різке зростання замовлень на захист корозійностійких сталей полімерними матеріалами РОКОР. Нашому підприємству довелося значно збільшити випуск ґрунту для кольорових металів та нержавіючих сталей «Метакор-02». Аналіз технічних завдань показує, що у багатьох випадках йдеться про неправильний вибір конструкційних матеріалів, у ряді випадків перевага надається менш легованим, але дешевшим маркам сталей, при цьому про захисні покриття згадують, коли захищати вже по суті нічого. Головний аргумент при виборі конструкційного матеріалу - "Ми думали, що якщо сталь нержавіюча, то вона ніде і не іржавіє ...". У переважній більшості випадків йдеться про аустенітні сталі типу Х18Н10. Але перш ніж розповідати про причини корозійних поразок кілька слів з нержавіючої сталі.

Давно відомо, що швидкість корозії багатьох металів значно менше розчинах сильних окислювачів, ніж у розчинах окислювачів слабших. Сюди відносяться такі метали, як залізо, хром, нікель, титан, цирконій, алюміній та багато інших. Різке зменшення швидкості корозії (на кілька порядків), начебто суперечить термодинамическим властивостям металу і окислювача, називається пасивацією, а стан металу - пасивним.

Деякі метали знаходяться у пасивному (або близькому до пасивного) стані навіть у таких слабких окислювачах, як вода. Це дає можливість практично використовувати як конструкційні матеріали алюміній, магній, титан та інші метали.

Дуже велике практичне значення пасивності, частовизначальне можливість отримання сплавів, хімічно стійких у агресивних середовищах, викликало дуже багато досліджень, присвячених вивченню пасивного стану. Якщо відкинути деякі несуттєві відмінності, що висловлюються на підставі зіставлення експериментальних даних, то результати спостережень можна узагальнити, сказавши, що пасивний стан обумовлено кисневим «бар'єром» у вигляді дуже тонкої плівки оксиду, що є окремою фазою, або шаром хемісорбованого кисню.

І після Бертьє різні дослідники отримували різноманітні сплави хрому із залізом. Наявність хрому надавала їм високу міцність і твердість, проте необхідна корозійна стійкість не досягалася, головним чином, через високий вміст вуглецю. Тільки 1904 р. француз Гійє [6] отримав низьковуглецеві сплави хрому, склад яких забезпечував їх пасивність. Він вивчив будову та механічні властивості сплавів Сг-Fe, а також сплавів Сг-Fe-Ni, званих нині аустенітними нержавіючими сталями.

Моннартц у Німеччині був, мабуть, першим, хто встановив, що з надання сплаву пасивних властивостей, його потрібно легувати по крайнього заходу 12 % Сг. У 1908 р. він розпочав дослідження хімічних властивостей сплавів Сг—Fe, а 1911 р. докладно виклав їхні результати. У його роботі описано сприятливий вплив на корозійну стійкість окисних середовищ у порівнянні з відновними, необхідність підтримки у сплаві низького вмісту вуглецю та вплив невеликих кількостей легуючих елементів (наприклад, Ti, V, Mo, W).

Переваги загартованих нержавіючих сталей Сг-Fe при використанні як матеріал для ріжучих інструментів були відзначені Брірлі (м. Шеффілд, Англія) в 1913 р. У пошуках найкращого матеріалу для стволів зброї він виявив, щосплави Сг-Fe з 12% Сг не руйнуються травильними розчинами, що містять азотну кислоту, і протягом тривалого часу не іржавіють в атмосфері. На підставі досліджень Маурера та Штрауса аустенітні нержавіючі сталі Сг-Fe-Ni були вперше застосовані в 1912-1914 рр. в Німеччині на сталеливарних заводах Круппа.

Сьогодні понад 70% загального обсягу виробництва корозійностійких сталей посідає аустенітні нержавіючі сталі типу Х18Н10, що містять у середньому 18 % Сг і 10 % Ni.

Одним з найчастіше зустрічаються корозійних поразок нержавіючих сталей є піттинг (від англ. Pit - яма). Зовні піттинг проявляється у вигляді заглиблень на поверхні сталі. Власне для утворення піттингу мають виконуватися дві умови:

По-перше, в розчині повинні бути присутніми т.з. іони депасиватори до яких належать поверхнево-активні речовини (ПАР), зокрема, галоген – іони (іони хлору, брому, йоду…).

По-друге агресивне середовище повинно мати окислювальну здатність при якій можливе піттингоутворення.

При піттингу більшість поверхні сталі залишається пасивної, але у окремих точках відбувається глибоке роз'їдання поверхні. Велика щільність струму в цьому елементі відповідає високій швидкості корозії в піттингу, що є анодом. На малюнку наведено приклад піттингу у розчині NaCl. При протіканні струму іони С1 надходять у піттинг, утворюючи концентровані розчини хлоридів заліза (II), нікелю і хрому (III). В результаті їх гідролізу розчин у піттинг підкислюється.

Збільшення вмісту в нержавіючих сталях хрому, нікелю, кремнію, ванадію, молібдену та ренію призводить до підвищення стійкості до піттингу.

Міжкристалітна корозія

Аустенітні сталі в загартованому стані мають стійку аустенітну структуру, що не розпадається при температурах до 400 оС. Подальший нагрівання сталей, чи його повільне охолодження при температурах 450 - 900 оС призводить до утворення надлишкових фаз як карбідів хрому. Ці карбіди виділяються на межі зерен і збіднюють прикордонний хромовий шар. При дії агресивного середовища спостерігається витравлення вздовж меж кристалів вздовж областей збіднених Cr – міжкристалітна корозія. Як правило міжкристалітної корозії схильні до зварних швів і навколошевих зон (ножова корозія).

Для підвищення стійкості до міжкристалітної корозії нержавіючі сталі вводять титан або ніобій. Для збільшення концентрації хрому в збіднених зонах проводять тривалий відпал, в результаті якого Сr із сусідніх областей дифундує в зону з низькою концентрацією легуючого елемента, проте проведення цієї операції на практиці, особливо для великогабаритних виробів, пов'язане з великими фінансовими витратами.

Корозійне розтріскування.

Один із недоліків практично всіх аустенітних сталей, (особливо в механічно напружених системах) полягає в їх схильності до корозійного розтріскування, особливо хлоридного та в лужних розчинах, тобто. до крихкого руйнування в гарячих розчинах, зонах розтягуючих напруг, навіть при напругах нижче межі плинності.