Scan011520104619

MATERIAŁY INŻYNIERSKIE

I apcwnić właściwą ochronę, konieczne jest dodanie do stali dość . us t li ilości obcego pierwiastka. Najlepszy jest chroń], którego dodatek .1 .. i IK% powoduje wytworzenie bardzo skutecznie chroniącej warstewki ii ni »-u Mora np. w temp. 900°C zmniejsza szybkość korozji więcej niż 100-

I 1 o 111 i O    :£i

11111 < pierwiastki rozpuszczone w stali również zmniejszają szybkość utle-.. iiii.i M O, i Si0₂ powstają łatwiej niż FeO (tabl. 21.1) i tworzą warstewki lii mmc (tabl. 21.2). I tak 5% Al rozpuszczone w stali zmniejsza szybkość hI< m.ima h)-krotnie, a 5% Si - 20-krotnie. Tę samą zasadę można wyko-

•    i i< do wytworzenia odporności na korozję innych metali. W następnym pi l ladzie omówimy nikiel i kobalt, z których mogą być wytwarzane stopy

podobny sposób. Również miedź może być tak ulepszana; nie rozpuszcza na wprawdzie wystarczającej ilości chromu do wytworzenia dobrej war-i. I i (1.O3, ale rozpuszcza dostatecznie dużo aluminium, umożliwiając ii , manie grupy stopów odpornych na korozję zwanych brązami alumi-11 i //// Nawet srebro można zabezpieczyć przed matowieniem i czernieniem 1 l nlck reakcji z siarką) przez dodanie do niego aluminium lub krzemu, i imu* i worzą na powierzchni ochronne warstewki A1₂0₃ lub Si0₂. Archeolo-

•    "'mc przypuszczają, że słynny słup w Delhi - będący ozdobną kolumną ‘•llan;| z żeliwa, która stoi nieskorodowana od setek lat w miejscu o szcze-

•////« dużej wilgotności - dobrze się zachował, ponieważ żeliwo, z którego !» 1 wykonany, zawiera ok. 6% Si.

( oramika jest także czasem chroniona w ten sam sposób. Węglik krzemu ’.u 1 azotek krzemu Si₃N₄ mają duże ujemne energie utleniania (co oznacza, a ię łatwo utleniają). Ale jeśli się utlenią, znajdujący się w nich krzem 1 v zy Si0₂, który szybko staje się warstewką ochronną i zapobiega dalszemu u il owi korozyjnemu.

Ochrona przez dodatki stopowe ma dużą zaletę w porównaniu z ochroną pi cz nakładanie na powierzchnię pokryć (jak np. galwaniczne pokrywanie In omem lub złotem), gdyż w razie uszkodzenia warstewka ochronna sama u lepu odbudowaniu. Jeśli bowiem ulegnie zadrapaniu lub starciu, zostanie

•    d lonięty czysty metal, ale chrom (lub aluminium czy krzem), który w nim m; znajduje, natychmiast się utleni, zapełniając przerwę (nieciągłość) w war-

^jpcwcc.

Przykład 2: Ochrona łopatek turbin

| Jak już powiedzieliśmy w rozdz. 20, materiały obecnie stosowane na l< palki turbin zawierają głównie nikiel i dodatki innych pierwiastków, zwięk-^ ijących ich wytrzymałość na pełzanie. Łopatki krystalizowane kierunkowo pi k nią normalnie w temp. ok. 950°C, która jest bliska 0,77^ dla niklu (1208 K,

935°C). Z tablicy 21.2 wynika, że w tej temperaturze nikiel traci 0,1 mm metalu wskutek utleniania, po 600 h. Grubość metalu, licząc od powierzchni zewnętrznej łopatki do otworów (kanalików) chłodzących, wynosi ok. 1 mm, skąd wynika, że po 600 h pracy łopatka straci ok. 10% swojego przekroju w tym miejscu. Jest to znaczna strata, jeżeli chodzi o wytrzymałość mechaniczną, a ponadto stwarza zagrożenie w związku ze statystycznymi zmianami w szybkości utleniania - które mogą być całkiem duże - lub preferencyjnym utlenianiem (np. na granicach ziaren) prowadzącym do powstania wżerów. Z powodu dużego kosztu wymiany kompletu łopatek (ok. 15 000 GBP lub 33 000 USD na jeden silnik) wymaga się, aby mogły one pracować ponad 5000 h. Nikiel utlenia się zgodnie z prawem parabolicznym (równanie (21.4)), więc po czasie t₂ ubytek przekroju x₂ można określić przez podstawienie danych do równania

/

t

\l/2

V*j J

co daje

0,1

5000 Y^/2

V 600 )

= 0.29 mm

Oczywiście taki ubytek jest niedopuszczalny, więc pytanie jak możemy go

zmniejszyć?^)

Otóż, jak już to było powiedziane w rozdz. 20, stopy stosowane na łopatki turbin zawierają znaczne ilości chromu, który jest rozpuszczony w osnowie niklowej w postaci roztworu stałego. Z tablicy 21.1, w której są podane energie wyzwalane przy tworzeniu się tlenków z różnych materiałów wynika, że tworzenie się Cr₂0₃ wyzwala znacznie więcej energii (701 kJ-mol¹ 0₂) aniżeli NiO (439 kJ-mol^-1 0₂). Oznacza to, że Cr₂0₃ będzie się tworzył preferencyjnie w stosunku do NiO na powierzchni stopu. Oczywiście im więcej będzie Cr w stopie, tym większa będzie preferencja dla tworzenia się Cr₂0₃. Przy zawartości 20% Cr, na powierzchni łopatki turbiny powstaje wystarczająco dużo Cr₂0₃, aby wywołać takie zachowanie materiału, jak gdyby był on chromem.

Załóżmy, że nasz materiał jest chromem. Z tablicy 21.2 wynika, że Cr traci 0,1 mm po czasie 1600 h w temp. 0,7T_M- Nie zapominajmy jednak o tym, że temp. 0,7T_M dla Cr wynosi 1504 K (1231°C), podczas gdy dla Ni wynosi ona 1208 K (935°C). Powinniśmy więc raczej określić jak Cr₂0₃ będzie działać jako bariera dla utleniania w temp. 1208 K, a nie w temp. 1504 K (rys. 22.1). Utlenianie chromu zachodzi według zależności parabolicznej z energią aktywacji 330 kJ-mol¹. A więc stosunek czasów wymaganych do utlenienia warstwy grubości 0,1 mm (równanie 21.3) wynosi