Wróbel Sławomir 2006-01-05
Wilusz Witold
Sprawozdanie nr 9
Temat: Badania mikroskopowe stali
odpornych na korozję.
Korozja jest to proces niszczenia metali przez ośrodek gazowy lub ciekły w wyniku reakcji chemicznej, lub elektrochemicznej. Korozja chemiczna - korozja spowodowana reakcjami chemicznymi, którym nie towarzyszy przepływ prądu elektrycznego.
Sposoby zabezpieczania stali przed korozją.
Niemetaliczne powłoki ochronne.
Zadaniem powłok niemetalicznych jest izolowanie powierzchni metali od dostępu tlenu i wilgoci. Konstrukcje stalowe (np. mosty) maluje się farbami olejnymi i lakierami, a niekiedy nakłada minę, smołę lub asfalt. Naczynia z blachy stalowej i żeliwa pokrywa się emaliami. Narzędzia i trące o siebie części maszyn można chronić jedynie przez nałożenie warstwy smaru.
Skuteczną, lecz drogą metodą jest pokrywanie wyrobów metalowych cienką warstwą tlenku-oksydowanie. Niektóre metale, wśród nich glin, samorzutnie pokrywają się na powietrzu zwartą warstwą tlenku, który chroni metal przed dalszą korozją
Metaliczne powłoki ochronne z metali o niższym od żelaza potencjale standardowym . Przez zanurzenie w ciekłym metalu, natryskiwanie lub osadzanie elektrolityczne uzyskuje się powierzchnię ochronną, izolującą metal od wpływu wilgoci i powietrza. Powłoki wykonane z metali stojących w szeregu elektrochemicznym przed żelazem (cynk, chrom) spełniają również rolę anody w ogniwie i nawet jeśli powłoka ulegnie uszkodzeniu mechanicznemu, do roztworu nie będzie przechodziło żelazo, lecz metal tworzący powłokę. Korozja cynku przebiega bardzo powoli dzięki tworzeniu się powierzchniowej warstwy trudno rozpuszczalnych związków. Z tego względu stosuje się blachy ocynkowane do pokrywania dachów, wyrobu rynien, wiader itp.
Metaliczne powłoki ochronne z metali o wyższym od żelaza potencjale standardowym. Działanie powłoki wykonanej z miedzi, cyny lub niklu jest czysto mechaniczne i powłoka spełnia swoje zadanie tylko wtedy, gdy jest zupełnie szczelna. Z chwilą jej uszkodzenia proces korozji staje się intensywniejszy niż bez powłoki.
Powłoka stanowi katodę, a żelazo ulega anodowemu rozpuszczeniu:
Fe - 2e- => Fe2+
podobnie jak w mikroogniwach na powierzchni stali. Dlatego też puszki po konserwach, wykonane z blachy ocynowanej, rdzewieją bardzo szybko.
Ochrona katodowa. Elementy konstrukcji narażone na korozję łączy się z ujemnym biegunem źródła prądu stałego o napięciu rzędu 1 - 2 V. Dodatni biegun łączy się z grafitową płytą przylegającą do konstrukcji. Ponieważ elektrony doprowadzone ze źródła prądu zobojętniałyby powstające jony, proces:
Fe - 2e- => Fe2+nie zachodzi.
Ochrona protektorowa. Do chronionego rurociągu lub kadłuba okrętu przytwierdza się tzw. protektory - bloki z metalu o niższym od żelaza potencjale normalnym (np. z magnezu, cynku). Protektor stanowi anodę zwartego ogniwa i sam zużywa się, przechodząc do roztworu (wody gruntowej lub morskiej). Elementy ochronne muszą być co pewien czas wymieniane.
Dodawanie inhibitorów. W kotłach parowych (np. centralnego ogrzewania) i instalacjach chłodniczych (np. samochodowych) ciecz znajdująca się w zamkniętym obiegu stanowi środowisko sprzyjające korozji. Dodanie niewielkich ilości substancji silnie adsorbujących się na powierzchni metalu i blokujących dostęp jonów wodorowych opóźnia znacznie procesy korozyjne.
Stale odporne na korozję
Stale odporne na korozję stosowane są na elementy konstrukcyjne maszyn i urządzeń pracujących w środowiskach chemicznie aktywnych.
Stale trudnordzewiejące
Niewielki wzrost odporności na korozję zapewnia wprowadzenie do stali 0,2-0,5 %Cu,
1-3% Cr oraz niewielkich ilości P, Al. I Ni. W obecności środowiska korozyjnego na powierzchni stali powstaje patyna - warstwa pasywująca złożona z siarczków i węglanów miedzi, chroniąca stop przed dalszym utlenianiem. Stale trudnordzewiejące stosowane są jako stale konstrukcyjne spawalne ogólnego przeznaczenia do pracy w atmosferach przemysłowych i morskich.
Stale nierdzewne - wysokochromowe.
Podstawowym pierwiastkiem stopowym w stalach odpornych na korozję jest Cr. Wprowadzony do stali w stężeniu większym od 13% powoduje nagły wzrost potencjału elektrochemicznego. Powstająca na powierzchni stopów żelaza z 13% Cr szczelina silnie przylegająca warstwa pasywacyjna, skutecznie chroni metal przed działaniem środowiska korozyjnego. Zależnie od zawartości Cr stale nierdzewne dzielimy na trzy grupy: zawierające 13-14% Cr, 16-18% Cr, 25-28% Cr. Maksymalna zawartość węgla w tych stalach wynosi 0,45%.
Stale ferrytyczne
Zawierają mniej niż 0,1%C. Są odporne na działanie: środowiska wodnego, kwasów azotowego i octowego. Nie są odporne na działanie kwasów redukujących. Stali ferrytycznych nie można utwardzać przez obróbkę cieplną, gdyż podczas nagrzania nie zachodzą w nich przemiany alotropowe.
Odporność na korozję stali ferrytycznych jest większa niż martenzytycznych. Największą odporność korozyjną oraz ciągliwość stale uzyskują po wyżarzaniu w temperaturze 800°C,
Z chłodzeniem w powietrzu. Stale ferrytyczne są odporne na korozję atmosferyczną, działanie wody i pary wodnej, gorących par ropy naftowej, stosowane w przemyśle naftowym.
Stale martenzytyczno - ferrytyczne.
Zawierają około 0,2% C. W stanie równowagi strukturę stali stanowi ferryt oraz niewielkie ilości węglików. Po nagrzaniu stali do temperatury powyżej 950°C węgliki rozpuszczając się
w roztworze stałym sprzyjają powstaniu niewielkiej ilości austenitu, który podczas szybkiego chłodzenia ulega przemianie w martenzyt. Powstały martenzyt wpływa niekorzystnie na własności stali. Aby przeciwdziałać temu zjawisku do stali wprowadza się Ti, który tworzy trwałe do 1150°C wegliki, uniemożliwiając powstanie austenitu. Również dodatek 0,1-0,3%Al. Stabilizuje ferryt i zapobiega powstaniu austenitu podczas obróbki cieplnej. Ze stali tej wykonuje się łopatki turbin wodnych i parowodnych, stosuje się je również w przemyśle spożywczym, chemicznym i papierniczym.
Stale martenzytyczne
Zawierają 0,3-0,45%C. Obróbka cieplna tych stali polega na hartowaniu z temperatury
950-1100°C - w zależności od gatunku a następnie odpuszczaniu w temperaturze 600-700°C.
Zależnie od zawartości węgla wytrzymałość na rozciąganie stali martenzytycznych w stanie ulepszonym cieplnie wynosi 600-1000 MPa. Produkuję się z nich wyroby o dużej twardości i odporności na ścieranie m.in.: łożyska, n9oże, narzędzia chirurgiczne, sprężyny.
Znakowanie stali.
Znak stali składa się z liter i cyfr. Litery określają charakterystyczne dla stali składniki stopowe. Liczby stojące za literą oznaczają zawartość pierwiastka stopowego w %. Zawartość węgla w dziesiątych częściach % określają cyfry na początku znaku stali. Gdy stężenie węgla jest mniejsze od 0,7%, na początku znaku stali podaje się O, a gdy jest mniejsza niż 0,003% - podaje się 00.
Stale kwasoodporne
Stale chromowo - niklowe
Ich odporność korozyjna jest większa od stali zawierającej 18%Cr.
W stali H18N9 rozpuszczalność węgla w austenicie zmniejsza się wraz z obniżeniem temperatury do 0,04% w temperaturze pokojowej. Nadmiar węgla wydziela się w postaci węglika chromu, który zarodkuje prawie prawie wyłącznie na granicach ziaren. Aby uzyskać strukturę jednorodnego austenitu stale kwasoodporne poddaje się przesycaniu z temperatury 1000-1500°C z chłodzeniem w wodzie. W przypadku ponownego nagrzania stali do temperatury 500°C z przesyconego austenitu wydzielają się węgliki chromu tworząc siatkę na granicach ziarn. Są one stosowane na elementy aparatury w przemyśle chemicznym, spożywczym, tworzyw sztucznych, na części konstrukcyjne turbosprężarek pracujące w gorących gazach: kolektory, części dyfuzorów, rury wydechowe.
Stale chromowo - niklowo - manganowe
Ze względu na deficyt niklu, w stalach chromowo - niklowych część niklu zastąpiono manganem. Dodatkowo w celu stabilizacji austenitu, oraz rozdrobnienia ziarna do stali dodaje się 0,1-0,3%N. Odporność na korozję tej stali jest gorsza niż stali chromowo - niklowej. Stale chromowo - niklowo- manganowe stosuje się w przemyśle spożywczym, na aparaty do przerobu mleka, na przedmioty gospodarstwa domowego, na elementy architektoniczne.
Stale odporne na korozję utwardzane wydzieleniowo
W stosunku do pozostałych stali odpornych na korozję charakteryzują się wysokimi parametrami wytrzymałościowymi, przy małej zawartości węgla. Są to stale Cr-Ni oraz
Cr-Ni-Co zawierające 12-12%Cr, 4-27% Ni, maksymalnie 0,15%C do 3,5% Mo oraz dodatki Cu, Al., Mn, Nb, Ti. Umocnienia stali odbywa się podczas obróbki cieplnej wskutek wydzielanie faz międzymetalicznych z przesyconego roztworu stałego - austenitu lub martenzytu. Zależnie od gatunku stali obróbka cieplna polega na przesycaniu lub hartowaniu, a następnie starzeniu.
Stale martenzytyczne
Hartuje się z temperatury 1000-1050°C z chłodzeniem w wodzie lub powietrzu. Po zabiegu strukturę stali stanowi niskowęglowy martenzyt o stosunkowo niskiej wytrzymałości Rm=1100 Mpa. Następnie odpuszczanie stali w temperaturach 450-550°C w czasie 0,5-4 godzin pozwala osiągnąć wytrzymałość na rozciąganie Rm=1400 Mpa.
Stale austenityczno-martenzytyczne
Mają temperaturę przemiany niższą od 0°C. Po schłodzeniu z temperatury 1050-1100°C do temperatury pokojowej w stali pozostaje struktura austeniczna. W tym stanie stal daje się łatwo tłoczyć i giąć głównie dzięki dzięki niskiej granicy plastyczności. Następnie chłodzenie stali do temperatury -750°C pozwala uzyskać strukturę martenzytyczną. Zabiegiem cieplnym jest starzenie w temperaturze 450-500°C. Stale austeniczno - martenzytyczne są dobrze spawalne.
Stale austeniczne
Zawierają dodatki Pi Cu 3%, po przesycaniu w temperaturze 1000-1030°C utwardza się je wydzieleniowo poprzez starzenie w temperaturach 650-750°C - zależnie od gatunku. Po obróbce cieplnej strukturę stali stanowi austenit z wydzieleniami faz zawierających pierwiastki stopowe. Stale posiadają lepsze własności mechaniczne od zwykłych stali austenicznych, lecz gorsze od stali austeniczno - martenzytycznych i martenzytycznych. Wykonuje się z nich elementy o skomplikowanych kształtach podczas operacji tłoczenia i gięcia, mające zastosowanie w konstrukcjach lotniczych.
Korozja międzykrystaliczna i sposoby zabezpieczania przed jej powstawaniem.
Główną przyczyną powodującą powstanie korozji międzykrystalicznej jest duża różnica współczynników dyfuzji węgla i chromu w temperaturze 500-650°C. Węgiel potrzebny do powstania węglików posiada znacznie większą szybkość dyfuzji w związku z czym pochodzi z obszaru całego ziarna austenitu, natomiast chrom tylko z obszarów przylegających do granic ziarn. Na skutek dyfuzji zawartość chromu w strefach przygranicznych spada poniżej 12%. Powstaje obszar o ujemnym potencjale elektrochemicznym, który ulega korozji jak zwykła stal, zwłaszcza w otoczeniu elektrododatnich węglików. Proces korozji zachodzi jedynie w zakresie temperatur 500-650°C.
Skłonność stali do korozji można usunąć prze:
ponowne przesycanie stali (stosowane do przedmiotów o niewielkich wymiarach)
zmniejszenie zawartości węgla w stali poniżej 0,07%
wprowadzenie do stali pierwiastków węglikotwórczych o większym od chromu powinowactwie do węgla, najczęściej Ti - w ilości równej co najmniej czterokrotnej zawartości węgla, Nb - w ilości dziesięciokrotnej zawartość węgla. Ti i Nb tworzą trwałe węgliki typu MC usuwając węgiel z austenitu.