УДК 620.194
ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ СОДЕРЖАНИЯ АЛЮМИНИЯ НА ПОКАЗАТЕЛИ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ И УДЕЛЬНОЙ ПРОЧНОСТИ СТАЛИ
© Родионова Ирина Гавриловна, д-р техн. наук, e-mail: igrodi@mail.ru; Бакланова Ольга Николаевна, e-mail: BaklanovaO@yandex.ru; Удод Кирилл Анатольевич, e-mail: kirilludod@chermet-cmpc.ru; Чудаков Иван Борисович, канд. физ.-мат. наук, e-mail: i-chudakov@yandex.ru; Эндель Наталья Иосифовна, канд. техн. наук, e-mail: nataus7@mail.ru; Мельниченко Александр Семенович, канд. техн. наук, e-mail: asmeln@yandex.ru ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина». Россия, Москва Статья поступила 05.11.2014 г.
Изучено влияние добавок алюминия на показатели удельной прочности и коррозионной стойкости стали. Расчетным путем установлено, что алюминий является наиболее эффективным элементом для снижения плотности стали. Электрохимическими методами исследовано влияние содержания алюминия на показатели коррозионной стойкости образцов сталей. Показана возможность повышения коррозионной стойкости стали путем ее легирования алюминием в количестве 8-12%.
Ключевые слова: стали; содержание алюминия; удельная плотность; коррозионная стойкость; электрохимические методы.
Освоение богатейших месторождений углеводородного сырья в Российской Федерации происходит во все более экстремальных природно-климатических условиях, в том числе на арктическом шельфе. Кроме оборудования и других объектов техники, предназначенных для добычи, хранения и транспортировки газа и нефти, растет потребность и в других сооружениях, конструкциях различного назначения для создания необходимой инфраструктуры как в Арктике, так и в Антарктике. Особенности природно-климатических условий этих регионов обусловливают особые требования к металлопродукции для указанных объектов с целью обеспечения длительного ресурса их эксплуатации. К таким условиям относятся не только экстремальные температурные условия, связанные с ними термические и механические нагрузки, но и активное воздействие агрессивных сред -морской воды, неорганических биоактивных сред и др.
Для обеспечения длительного ресурса эксплуатации в рассматриваемых условиях требуются стали, которые кроме комплекса высоких показателей механических свойств должны обладать высокой стойкостью против различных видов коррозионного и коррозионно-механического разрушения. При этом также важно решение вопроса снижения массы конструкций и оборудования, что может достигаться путем повышения удельной прочности используемых сталей.
Основные подходы к решению вопросов повышения удельной прочности стали [1-3] заключаются не только в повышении ее прочностных характеристик, но и в снижении плотности, что достигается легированием такими элементами, как алюминий и кремний.
В работе [4] приведена приблизительная эмпирическая формула расчета плотности стали (см. формулу (1)). Плотность стали различных марок можно приближенно определить, изменяя плотность чистого железа (7880 кг/м3) на величину, пропорциональную количеству (%) имеющегося в стали легирующего компонента в соответствии с приведенными в табл. 1 значениями поправок на 1% примеси.
Таблица 1. Значения поправок плотности сплава в зависимости от содержания элемента
Элемент Поправка на 1% содержания элемента, кг/м3 Содержание элемента (%, не более), до которого действительна поправка
C -112 1,2
Mn -16 2,0
Si -68 5,5
Cu + 31 1,5
Ni +2 7.0
Co +6 7,0
Cr -21 3,0
W + 56 15,0
Al -155 4,5
Таблица 2. Значения поправок плотности стали в зависимости от содержания элемента
Окислительная атмосфера
Элемент Поправка в % от плотности чистого железа на 1% содержания элемента
C -1,421
Mn -0,203
Si -0,863
Cu 0,393
Ni 0,025
Co 0,076
Cr -0,266
W 0,711
Al -1,967
Если пересчитать эти поправки в проценты от плотности железа (7880 кг/м3), то получим: й = 7880 - 112С - 16Мп - 68Б1 + 31Си + + 2№ + 6Со - 21Сг + 56"" - 155А1. (1)
Таким образом, наиболее сильно плотность стали снижает легирование алюминием - на 1,97% на каждый процент алюминия в стали (табл. 2).
По данным [1], вследствие легирования алюминием стали с содержанием 14-28% Мп и 1% С плотность стали снизилась на 17% при добавке 12% алюминия, что означает уменьшение плотности на 1,4% на один процент алюминия, а изменение содержания марганца оказывало небольшое влияние на плотность стали по сравнению с изменением содержания алюминия.
Другим важным преимуществом легирования стали алюминием является возможность повышения коррозионной стойкости стали. Как и хром, алюминий может образовывать защитные пленки на поверхности стали. По данным работы [5], сплав Бе-8%А1 обладает такой же устойчивостью к окислению, как сплавы 20%Сг-80%М. В то же время, в работе [6] отмечено, что такие сплавы имеют низкий уровень свойств - прочности и пластичности, и что эти недостатки преодолеваются посредством легирования хромом.
Данные о влиянии алюминия в сочетании с некоторыми другими элементами на коррозионную стойкость стали и сплавов на основе железа, в том числе в морской воде, содержатся и в более поздних работах [7-9]. Отмечено, что несмотря на существенное снижение скорости общей коррозии стали в морской воде повышение содержания хрома более 3-5% приводит к протеканию питтинговой коррозии, что может быть предупреждено одновременным легированием другими элементами (молибденом, никелем, медью). Существенное повышение коррозионной
■3 0,8
0,6
S 0,4
£ 0,2
Fe-10Al
Fe-10Al-2Cr Сплав
Fe-10Al-5Cr
18 16 14 12 10
Сульфидно-окислительная атмосфера
а
«
р6 4 2 0
100 ч 500 ч
Fe-10Al
Fe-10Al-2Cr Сплав
Fe-10Al-5Cr
Рис. 1. Коррозионная стойкость сплавов системы Fe-10%Al-Cr при 500 °С [17]
стоикости в морской воде и растворах хлоридов наблюдается при легировании стали алюминием, особенно совместно с хромом. Так, коррозионная стойкость стали, содержащей 2% Cr, увеличивается при повышении содержания алюминия до 0,4%. По мнению других авторов [10], легирование стали алюминием целесообразно до 3-5%.
Изучению сплавов системы Fe-Al посвящено много работ [11-18]. В частности, в работах [17] и [18] исследовали коррозионную стойкость сплавов Fe-Al-Cr c 10 мас. % Al в окислительной и сульфидно-окислительной атмосфере при 500 °С. Из приведенных на рис. 1 графиков видно, что для обеспечения коррозионной стойкости при повышенной температуре в окислительной и сульфидно-окислительной средах сплавы системы Fe-10 мас. % Al необходимо дополнительно легировать хромом. Сплав Fe-10 мас. % Al-5 мас. % Cr показал практическое отсутствие потери массы в обеих атмосферах за 500 ч испытаний.
Тем не менее, достоверные систематизированные данные о влиянии алюминия на коррозионную стойкость стали в морской воде и вообще в водных средах с повышенным содержанием хлоридов до настоящего времени отсутствовали. В последнее время появилась серия электрохимических методов, позволяющих оценивать кор-
1
0
розионную стойкость углеродистой и низколегированной стали в водных средах, содержащих ионы хлора [19].
Цель работы - оценка влияния содержания алюминия в сплавах на основе железа на показатели их коррозионной стойкости, определяемые по стандарту предприятия ФГУП «ЦНИИчермет им. И.П.Бардина» (стандарт СТО 00190242-0012008).
Метод заключается в снятии потенциоди-намической кривой (ПДК) прямого и обратного хода в водных средах, содержащих ионы хлора, и определении значений параметров, позволяющих оценивать стойкость стали против локальной коррозии.
Параметры, определяемые при снятии ПДК:
- максимальная плотность тока i , мА/см2;
max
- плотность тока при потенциале -300 мВ (i-300), мА/см2 (насыщенный хлорид-серебряный электрод);
- потенциал максимума плотности тока E. ,
^ ' imax
мВ.
В зависимости от значений указанных параметров в соответствии с методикой сталь относят к одному из трех классов стойкости против локальной коррозии: 1 - стойкие, 2 - удовлетворительно стойкие, 3 - нестойкие. Интервалы значений определяемых параметров, принятые для каждого класса, приведены в табл. 3.
Выплавку бинарных сплавов системы Fe-Al производили в вакуумных и открытых индукционных печах из чистых шихтовых материалов (железо марки ЖР008; алюминий кусковой). Для вакуумной выплавки бинарных Fe-Al-сплавов использовали вакуумную индукционную печь фирмы «Бальцерс» вместимостью 20 кг, разливку осуществляли на два слитка массой по 10 кг. Металлургический передел слитков осуществляли по схеме: частичная зачистка слитков абразивными кругами, ковка при 1200 °С на сутунки размерами 40x100xL мм, строжка (или полная абразивная зачистка) сутунок, горячая прокатка при 1200 °С на полосу толщиной 6 и 2,5 мм.
Таблица 3. Значения параметров коррозионной стойкости, соответствующие классам стойкости 1, 2, 3
Класс Параметры
стойкости i , мА/см2 max i-300, мА/см2 E , мВ imax
1 <3 <2 <-350
2 3-6 2-5 -(350-320)
3 >6 >5 -(320-300)
Для проведения исследования бинарные Fe-Al-сплавы выплавляли также в открытой индукционной печи вместимостью 10 кг. Выплавку проводили под криолитовым шлаком, разливку осуществляли в слиток массой 10 кг. Металлургический передел слитков осуществляли по схеме: полная зачистка слитков абразивными кругами, ковка при 1200 °С на сутунки размерами 40x100xi мм, строжка сутунок, горячая прокатка при 1200 °С на полосу толщиной 6 и 2,5 мм.
Химический состав сплавов системы Fe-Al приведен в табл. 4.
Видно, что сплавы вакуумной выплавки кроме железа и алюминия содержали кремний в количестве не более 0,07%. Сплавы, выплавленные в открытой дуговой печи, имели более высокое содержание кремния - 0,18-0,60%. Кроме того, сплав с условным номером 3 имел повышенное содержание марганца и фосфора по сравнению с остальными сплавами (см. табл. 4).
Образцы для исследования отрезали от горячекатаных полос. Термообработку образцов осуществляли в вакуумной печи со степенью разрежения не менее 10-3 мм рт. ст., точность поддержания температуры ±0,2 °С. Закалку образцов осуществляли при нагреве в открытой трубчатой печи от 1000 °С, точность поддержания температуры ±0,5 °С.
Перед проведением коррозионных испытаний половину образцов подвергали термической обработке - выдержке при 850 °С в течен
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.