научная статья по теме О МЕХАНИЗМЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА Химия

Текст научной статьи на тему «О МЕХАНИЗМЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ НА КОРРОЗИОННУЮ СТОЙКОСТЬ ВЫСОКОПРОЧНОГО ЧУГУНА»

Ь 1/2

1

л

к

V У

Ь

Рис. 2. Схема изменения формы шаровидного графита при прокатке высокопрочного чугуна.

скорости коррозии под влиянием деформации выявляется и при взвешивании образцов чугуна до и после испытания. Таким образом, пластическая деформация прокаткой снижает скорость коррозии высокопрочного чугуна.

При анализе кривых, характеризующих кинетику коррозии на различных стадиях коррозионного процесса, обращает на себя внимание падение скорости выделения водорода. Это не связано с подготовкой образцов к испытанию, например, с поверхностным наклепом. Длительный отжиг при субкритических температурах деформированных образцов, при котором устраняется наклеп, вызванный порезкой и шлифовкой чугуна, практически не сказывался на ходе кривых выделения водорода. Мало значимы и изменения в методике подготовки поверхности образцов к коррозионным испытаниям. Это позволяет заключить, что причины изменения скорости коррозионного процесса связаны с пассивацией чугуна.

Одной из причин снижения скорости коррозии со временем испытания могло явиться снижение концентрации серной кислоты вблизи поверхности чугуна в ходе испытания. Влияние концентрации серной кислоты на коррозию высокопрочного чугуна изучено достаточно полно [4, 5]. В нашем случае, периодические встряхивания и перемешивание раствора не изменяли ход кривых выделения водорода. Таким образом, снижение скорости коррозии при испытании деформированного высокопрочного чугуна не связано с концентрационными изменениями коррозивной среды. Не сказывалась на них и замена проработавшего раствора новым с исходной концентрацией кислоты. Восстановление исходной концентрации раствора, проведенное спустя 40 мин после начала испытания (на рис. 1 указано стрелкой), практически не сказалось на ходе кривой 2.

Приведенные данные позволяют оценить роль продуктов коррозии, образующихся на поверхности высокопрочного чугуна и характеризующихся повышенной плотностью и прочностью связи с чугуном. С увеличением их толщины (А) затрудняется доставка компонентов коррозивной среды к

фронту коррозии, и это может явиться основной причиной снижения скорости коррозии. В связи с этим, прокорродировавшие образцы спустя 80 мин после начала испытания механически очистили от продуктов коррозии и вновь подвергли коррозионному испытанию. Как видно на рис. 1 (кривая 2), характер выделения водорода практически не изменился. Следовательно, снижение скорости коррозии в ходе испытания слабо связано и с увеличением толщины слоя продуктов коррозии.

Восстановление начальной скорости коррозии наблюдалось лишь на 120 мин испытания после глубокой зачистки поверхности образцов, благодаря которой полностью удалился прокорродиро-вавший слой. По всей видимости, существенны воздействия, происходящие на фронте распространения коррозионного процесса. Одна из причин могла быть связана с образованием и удалением водорода [5]. Поверхность графитных частиц, вытянутых при деформации и оставшихся изолированными друг от друга [6], служит "ловушкой" для выделяющегося водорода. Удаление водорода из чугуна тормозится его молизацией и отсутствием сообщаемости графитных частиц, что тормозит коррозионный процесс в металлической основе. Это торможение особенно эффективно в направлении, перпендикулярном плоскости прокатки. Именно в этом направлении прокатанный высокопрочный чугун максимально коррозионно-стоек.

При обсуждении механизма влияния деформации на скорость коррозии высокопрочного чугуна следует учитывать высокую инертность графитной фазы. Следует ожидать, что распространение фронта коррозии в деформированном чугуне тормозится графитными частицами, которые сохраняют форму и распределение в продуктах коррозии. Поскольку при односторонней деформации чугуна графит приобретает вид дисков и пластин, распространение коррозии по нормали к плоскости графитных частиц должно тормозиться в наибольшей мере.

Пластическая деформация высокопрочного чугуна ведет не только к формоизменению графита, но и к изменению числа графитных частиц на единице площади шлифа, что влияет на скорость коррозии [5]. Для количественной оценки изменения числа частиц воспользуемся правилом Глаголева [7], в соответствии с которым доля площади, приходящейся на одну из фаз на поверхности шлифа, равна объемному содержанию фазы. Имея в виду, что при прокатке чугуна шаровидные включения графита трансформируются в эллипсоиды с осями d, I и h (рис. 2) без изменения объема и числа включений, запишем:

Р1 - Ръ - Рь

О МЕХАНИЗМЕ ВЛИЯНИЯ ПЛАСТИЧЕСКОЙ ДЕФОРМАЦИИ

57

где F - площадь графитных включений соответственно в продольном, поперечном сечениях и в плоскости прокатки образца.

Площадь, занимаемая графитной фазой на поверхности деформированного чугуна, составляет:

Fl = ^ • щ; Fb = и • пь; Fh = А • (2)

где щ, пь и щ - соответственно число частиц в плоскости шлифа в продольном, поперечном сечениях и в плоскости прокатки; / - площадь сечения одной частицы графита.

Придав деформированным включениям графита вид параллелепипедов, вытянутых вдоль прокатки, запишем:

/ь = к • Ь; / = к • I; /к = Ь • I. (3)

С учетом зависимостей (1), (2) и (3) получим:

пЬ • к • Ь = щ • к • I = пк • Ь • I. (4)

Откуда:

П± - 1

п, V п

Коррозивная среда

Г

Ъ

(5)

£ —

Ъ — 0.41; 1ЪН — й

(6)

1 -0.5

1- — [0.4(I - £ )] .

(7)

Следовательно, под влиянием прокатки увеличиваются изменения формы графита и изменяется число частиц на единице поверхности проката. При прокатке с кантованием на 90°, при которой графит приобретает вид стержней, различие в числе графитных частиц на площади поверхности проката можно оценить следующим образом:

Л

пй/

(8)

А

о о о о 4

- о.

А

Продукт коррозии

Исходный чугун

Графит

Продукт коррозии

я

И

Графит

При продольной прокатке без кантования I > Ь > > к. С учетом размерных изменений можно заключить, что число графитных включений на единице площади поверхности проката в сравнении с исходным состоянием увеличивается в продольных и поперечных сечениях проката и уменьшается в сечениях, параллельных плоскости прокатки.

По опытным данным размерные изменения графитных частиц при холодной прокатке высокопрочного чугуна характеризуются следующими зависимостями:

Рис. 3. Схема электрохимической коррозии недефор-мированного (а) и деформированного (б) высокопрочного чугуна.

где п± и яц - соответственно число графитных частиц на поверхности проката в поперечном и продольном сечении проката; I и dl - длина и диаметр графитных частиц в продольном и поперечном сечении проката соответственно.

Имея в виду, что коэффициент вытяжки графита приблизительно равен коэффициенту вытяжки чугуна (учуг), получим:

3

П± — 22

п Ч чУг ' П||

(9)

где d, I, Ь и к - соответственно диаметр графитных частиц до деформации, длина, ширина и высота включений после холодной прокатки (рис. 2).

Положив, что степень формоизменения графита равна степени осадки чугуна (£гр = £чуг), и учитывая данные работы [6], получим:

т.е. и при прокатке с кантованием на 90° в поперечном сечении проката число графитных частиц на единице площади шлифа становится большим, чем в продольном сечении.

Таким образом, формоизменение графита при деформации высокопрочного чугуна сопряжено с изменением числа включений на единице площади. При этом, поверхность чугунного проката с малым числом включений имеет большую коррозионную стойкость, чем поверхности с большим числом включений.

На основании полученных данных о влиянии деформации на структуру и сопротивление коррозии предложена схема, приведенная на рис. 3. В недеформированном чугуне шаровидные частицы графита слабо влияют на перемещение фронта коррозии, поскольку при шаровидной форме велико расстояние между графитными частицами (рис. 3а). Шаровидный графит слабо увеличивает пути распространения коррозионного фронта, что на рис. 3а условно показано стрелка-

а

Рис. 4. Структура коррозионностойкого деформированного высокопрочного чугуна, х500.

ми. Под влиянием предварительной деформации высокопрочного чугуна графитные частицы приобретают вид дисков и пластин, вытянутых в направлении прокатки [6], а число их на единице поверхности чугуна возрастает. Как следует из рис. 36, это препятствует перемещению фронта коррозии, что особенно сильно проявляется в направлении, перпендикулярном плоскости прокатки. Именно такие поверхности, параллельные плоскости прокатки, имеют максимальное сопротивление коррозии [1].

Обсуждаемый механизм влияния деформации на скорость коррозии высокопрочного чугуна позволяет объяснить влияние степени обжатия чугуна и роль кантования на 90°. В случае кантования при прокатке шаровидные частицы становятся не плоскими, а в виде стержней, что в меньшей степени сказывается на изменении путей распространения коррозии. Увеличение степени обжатия чугуна влечет за собой повышенное формоизменение графита и увеличение путей распространения фронта коррозии при испытании чугуна по плоскости прокатки. Как следует из рассмотренного механизма, позитивное влияние деформации усиливается со временем коррозионного испытания, что согласуется с экспериментальными данными [8].

Приведенный механизм влияния деформации высокопрочного чугуна на сопротивление коррозии не противоречит известным в литературе данным [4, 5] и согласуется с результатами, полученными нами ранее [1, 2]. Позитивное влияние деформации на сопротивление коррозии высокопрочного

чугуна представляет особый интерес при изготовлении труб и тонкого листа, т.е. изделий, в которых вытянутые графитные частицы параллельны внешней поверхности и не пересекают ее. Прокаткой чугуна можно значительно повысить его сопротивление коррозии. Так, горячая прокатка чугуна в тонкий лист и последующий субкритический отжиг, благодаря чему микроструктура высокопрочного чугуна приобретает "перлитообраз-ное" строение с однообразно ориентированными графитными пластинками (рис. 4), значительно снижает скорость коррозии в концентрированных водных растворах серной кислоты.

В заключение отметим, что рассмотренный механизм применим и к другим системам компонентов, в которых образующаяся избыт

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком