STALE ODPORNE NA KOROZJĘ2.doc

STALE ODPORNE NA KOROZJĘ

Korozją nazywamy proces niszczenia metalu na skutek oddziaływania środowiska zewnętrznego. Zaczyna się ona zawsze na powierzchni i stopniowo przenika do warstw głębszych, jednakże ten postęp w głąb metalu nie jest zawsze równomierny. Rozpoczęty proces korozji, o ile nie ulegnie zahamowaniu prowadzi do całkowitego zniszczenia elementów metalowych.

Ze względu na charakter rozróżniamy:

·  korozję chemiczną,

·  korozję elektrochemiczną.

Korozja chemiczna zachodzi zwykle pod wpływem działania suchych gazów przy wysokich temperaturach. Powstaje wówczas na powierzchni elementów metalowych cienka warstwa związków chemicznych, najczęściej tlenków rzadziej siarczków, azotków lub węglików.
Czynnik korodujący przenika na drodze dyfuzji poprzez warstwę produktów dyfuzji do metalu co powoduje jej stopniowe pogłębianie i korozja postępuje w głąb metalu.
Korozja elektrochemiczna zachodzi w cieczach zwykle w roztworach wodnych na skutek przepływu prądu elektrycznego z jednej części metalu do drugiej za pośrednictwem elektrolitu. Przykładem jej może być rozpuszczenie matali w kwasach.

Ze względu na wynik oddziaływania rozróżniamy następujące rodzaje korozji:

·         korozję równomierną- zachodzącą na całej powierzchni elementów metalowych, powodującą mniej więcej równomierne zmniejszenie ich grubości (rys.1),

·         korozję wżerową- zachodzącą gdy metal atakowany jest tylko w pewnych miejscach powierzchni w skutek czego powstają w tych miejscach zagłębienia zwane wżerami (rys.2),

·         korozję międzykrystaliczną- zachodzącą gdy ośrodek aktywny atakuje granice ziarn bez naruszania ich wnętrza. Tego rodzaju korozja rozprzestrzenia się w głąb metalu po granicach ziarn, co powoduje naruszenie spójności metalu (rys. 3),

·         korozja naprężeniowa- zachodząca na skutek istnienia w metalu naprężeń własnych.
Miejsca materiału o różnych naprężeniach mają rozmaite ilości energii wewnętrznej, co w obecności roztworów prowadzi do powstania ogniw lokalnych, które z kolei powodują korozję. Mogą to być naprężenia zarówno wywołane działaniem sił zewnętrznych jak i naprężenia z uprzednich procesów technologicznych np. zginania , spawania. Przejawem tego typu korozji są pęknięcia (rys.4),

·         korozja kontaktowa- zachodząca gdy stal styka się z innymi metalami np. stopem miedzi, dzięki czemu powstają lokalne ogniwa prowadzące do znacznego ubytku metalu (rys.5).

Stale odporne na korozję należą do grupy stali stopowych o szczególnych własnościach fizycznych i chemicznych. Niejednokrotnie zawartość w tych stalach pierwiastków stopowych przekracza kilkadziesiąt procent.

Stale odporne na korozję dzielimy na:

·  stale nierdzewne- są to stale odporne na korozję admosferyczną i wodną,

·  stale kwasoodporne- stale o strukturze austenitycznej- są to stale, które nie ulegają działaniu większości środowisk kwaśnych.

Odpornośc na korozję stali zależy głównie od:
1. składu chemicznego,
2. struktury,
3. stanu powierzchni

Ad 1. Skład chemiczny, a zwłaszcza zawartości chromu, niklu, węgla, molibdenu, miedzi, manganu, azotu, tytanu, niobu i tantalu. Podstawowym pierwiastkiem stali odpornych na korozję jest chrom. Wprowadzony do stali w ilości większej od 13% powoduje skokową zmianę potencjału elektrochemicznego z 0,6V do +0,2 V (Rys.6). Wynika stąd, że odporność na korozję występuje doiero przy zawartości powyżej 13% chromu. Stale chromowe są odporne na korozję w środowiskach utleniających np. kwasu azotowego, nie są one natomiast odporne na działanie środowisk redukujących np. kwasu solnego czy siarkowego. Przy temperaturach wysokich minimalna zawartość chromu zapewniająca odporność na korozję wzrasta do 20%. Drugim oprócz chromu najważniejszym składnikiem stopowym stali odpornych na korozję jest nikiel, który podwyższa odporność stali na działanie wielu środowisk korozyjnych, a zwłaszcza kwasu siarkowego, roztworów obojętnych chlorków ( woda morska) itp. Stale zawierające nikiel nie są odporne na działanie gazów zawierających związki siarki przy podwyższonych temperaturach z uwagi na powstawanie siarczku niklu. Węgiel natomiast pogarsza odporność na korozję. Stal ulega silnemu obniżeniu odporności na korozję jeżeli węgiel występuje w niej w postaci węglików

Ad. 2 Struktura stali.W stalach odpornych na korozję występują struktury: ferrytyczna , austenityczna i martenzytyczna. Stale te mogą mieć strukturę jednofazową np.ferrytyczną lub dwufazową np. ferrytyczno-austenityczną.
Faza jest to część stopu o jednakowych w całej swej masie własnościach fizycznych i o tym samym składzie chemicznym.

·  Struktura ferrytyczna to struktura roztworu stałego w żelazie alfa (żelazo w przyrodzie występuje w dwóch odmianach alotropowych żelazo alfa i żelazo gama) ,odmiana alfa krystalizuje w sieci przestrzennie centrycznej A2 (rys.7).

rys. 7

·  Struktura austenityczna to struktura roztworu stałego w żelazie gama ,żelazo gama krystalizuje w sieci płaskocentrycznej A1 (rys 8)

rys. 8

·  Struktura martenzytyczna jest to struktura powstała w wyniku bezdyfuzyjnej przemiany austenitu, jest to przesycony roztwór węgla w żalazie (rys. 9).

rys. 9

Najwyższą odporność na korozję wykazują stale austenityczne potem ferytyczne, a najniższą martenzytyczne. Większą odporność na korozję mają struktury jednofazowe.Większą odporność struktur jednofazowych należy przepisywać znacznie korzystniejszym warunkom do powstawania stanu pasywnego oraz do utrzymania jego trwałości i ciągłości. Prawdopodobieństwo powstania ogniw lokalnych w stali o strukturze jednofazowej jest bardzo małe. Pojawienie się w stalach jednofazowych dodatkowych składników w strukturze prowadzi zawsze do zmniejszenia odporności korozyjnej.

Ad. 3 Odporność na korozję stali zależy w dużej mierze od stanu jej powierzchni. Stale o powierzchni gładkiej są zawsze bardziej odporne na korozję od stali o znacznej chropowatości.

W stalach odpornych na korozję glównym składnikiem stopowym jest chrom. Dodatek chromu dąży do utworzenia w strukturze węglików chromu (Fe,Cr)3C, (Fe, Cr)7C czy Cr23C6, który krystalizuje w sieci heksagonalnej ( rys.10).

rys. 10

Odporność stali na korozję jest związana ze zdolnoscią stali do pasywacji. Pod nazwą pasywacji rozumiemy zwiękrzenia odpornosci metalu na korozję przez utlenienie jego powierzchni. Przyjmuje się ,że na powierzchni pasywnego metalu istnieje szczelna i silnie przylegajaca warstewka tlenków, która chroni metal przed oddziaływaniem otaczającego środowiska.

Ze względu na zawartość chromu stale odporne na korozję obejmują trzy grupy:
1. stale wysoko chromowe,
2. stale chromowo-niklowe,
3. chromowo-niklowo-manganowe.

Ad. 1 Stale wysoko chromowe są odporne głównie na korozję chemiczną w tym na utlenianie w admosferze powietrza, wody naturalnej, pary wodnej, na działanie zimnych roztworów alkalicznych rozcieńczonych kwasów i soli z wyjątkiem chlorków , siarczanów i jodków oraz na działnie ropy naftowej i jej par, paliw, olejów ,alkoholi, a także środków spożywczych.

W zależności od zawartości chromu można podzielić je na:

·         stale o zawartości od 12 do 14% Cr i do 0,45% C- struktura tych stali jest różna w zależności od zawartości węgla (rys. 11) jak widać w zakresie niskich zawartości węgla C< 0,1% pole fazy alfa rozciąga się w całym zakresie temperatur i i stale o takim składzie będą maiły strukturę ferytyczną. Stale ze średnią zawartością węgla od 0,2 do 0,3% będą miały po nagrzaniu powyżej 950°C strukturę ferytyczno-austenityczną. Po ochłodzeniu struktura tych stali będzie zawierała feryt i martenzyt i z tego względu nazwano je półferytycznymi. Stale o zawartości węgla powyżej 0,3% przechodzą po nagrzaniu całkowicie w austenit a po ochłodzeniu będą miały strukturę martenzytyczną. Zgodnie z powyższym stale 0H13,0H13J zaliczamy do stali ferytycznych, stal 1H13 do stali półferytycznych, zaś stale 2H13, 3H13, 4H13 do stali martenzytycznych. Są to najtańsze gatunki stali nierdzewnych. Stale te posiadają dobrą odporność na korozję w obecności pary wodnej i kwasu azotowego, kwasu octowego nie są natomiast odporne na działanie kwasu solnego i siarkowego.

·         stale o zawartości od 16 do 18% Cr i ok. 0,1 %C ( rys12.) są stalami o większej odporności na korozję np. H17,H17N2 mają w stanie wolno chłodzonym strukturę ferytyczną lub ferytyczno-martenzytyczną. Są szeroko stosowane w przemyśle spożywczym. Stale te są odporne na działanie stopionej siarki i jej par,rozcieńczonych roztworów alkaicznych, rozcieńczonych zimnych kwasów organicznych, mydła, oraz korozji naprężeniowej. Mogą być stosowane przy temperaturach nie przekraczających 900°C

·         stale o zawartości od 18 do 28% (rys 13.) chromu np. H25T mają strukturę ferytyczną. Mogą być stosowane przy temperaturach nie przekraczających 1150°C

Ad 2. Stale chromowo-niklowe są odporne głównie na korozję elektrochemiczą w środowisku kwasów nieorganicznych i organicznych, związków azotu i roztworów soli i agresywnych środków spożywczych. Zawierają one od 18 do 25% Cr i od 8 do 20 % Ni. Mają strukturę austenityczną. Najczęściej stosoewna jest stal typu 18/8 zawierająca 18%Cr i 8%Ni względnie jej modyfikacje jak 0H18N9, 1H18N9, 2H18N9. Stal ta jest wybitnie odporna na korozję, nie działa na nią kwas azotowy, stężony kwas siarkowy, fosforowy i inne.
W celu zwiękrzenia odporności na kwas siarkowy i octowy stosuje się dodatki molibdenu w ilości od 1,5% do 2,5% np.H18N10MT, H17N13M2T. Dodatek miedzi w ilości ok. 3% zmniejsza skłonność tych stali do korozji naprężeniowej np. 0H22N24M4TCu. Dodatek krzemu w ilości od 2% do 3 % polepsza odporność na działanie kwasu solnego i rozcieńczonego kwasu siarkowego np. H18N9S. Stale chromowo niklowe są szeroko stosowane w budowie aparatury chemicznej na części aparatury w przemyśle spożywczym. Wadą tych stali jest niestety skłonność do korozji międzykrystalicznej, która występuje przy ich nagrzaniu do temp. od 450°C do750°C . Przyczyną tego rodzaju korozji jest wydzielanie się na granicach ziarn węglików chromu powodujące zubożenie granic ziarn w chrom. Skłonność do korozji międzykrystalicznej można usunąć przez: obniżenie zawartości węgla do 0,02%-0,03% np. 00H18N10, lub wprowadzenie do stali silnie węglikotwórczych pierwiastków jak tytan czy niob np. 1H18N9T, 0H18N12Nb, lub odpowiednią obróbkę cieplną, co utrudnia powstawanie węglików chromu i składnik ten koncentruje się wtedy w roztworze. Bardzo dobrą odporność na kwas siarkowy ma więc stal 0H23N28M3TCu. Także bardzo dobrą odporność na działanie kwasu siarkowego o dowolnym stężeniu i temperaturze do 100°C oraz kwasu fosforowego , mrówkowego, rozcieńczonego (do 4%) kwasu solnego, w środowiskach zawierających związki chloru ma stal 0H22N24M4TCu.

Ad 3. Stale chromowo-niklowo-manganowe tak jak stale chromowo-niklowe są odporne głównie na korozję elektrochemiczą w środowisku kwasów nieorganicznych i organicznych, związków azotu i roztworów soli i agresywnych środków spożywczych.Są to stale, w których w celach oszczędnościowych częściowo zastąpiono nikiel manganem względnie azotem np. 1H17N4G9. Mają one też strukturę austenityczną jednak ich odpornosć na korozję jest nieco gorsza niż stali chromowo niklowych. W środowiskach takich jak roztwory kwasu mlekowego, octowego i innych wystepujących w sokach owocowych wykazują dobrą odporność. Są one szeroko stosowane w przemyśle mleczarskim.

Oznaczenie stali odpornych na korozję (wg. PN-71/H-86020). Stale odporne na korozję oznacza się literami określającymi składniki stopowe i liczbami za każdą literą podającymi w procentach średnie stężenie tych dodatków w stali. Stężenie węgla określa się liczbami całkowitymi, oznaczającymi przybliżoną, srednią zawartość tego pierwiastka w dziesiątych częściach tego pierwiastka. Gdy stężenie jest mniejsze od 0,07%C na początku znaku stali podaje się znak 0, gdy zaś mniejsze od 0,03%C podaje się znak 00. Pierwiastki są znakowane następująco: H - chrom, N nikiel, Nb niob, M - molibden, G mangan, Cu mied, T tytan, J- aluminiu.
Obecnie obowiązują równolegle dwie normy PN-71-H-86020 i PN-EN 10088-1 opisująca skład chemiczny i niektóre własności fizyczne stali odpornych na korozję.

tabele:
1.stale odporne na korozję-odporność korozyjna
2.zestawienie stali stopowych - oznaczenia polskie i ich odpowiedniki zagraniczne