ХРОМ-МАНГАНОВИ НЕРЪЖДАЕМИ СТОМАНИ – РАЗВИТИЕ И ...

More documents

Recommendations

Info

Съчетаването на високата корозионна устойчивост с добра обработваемост и отличен декоративен вид превръща неръждаемите стомани в атрактивен и изключително подходящ материал за редица сфери на промишлеността и бита. Неръждаемите стомани най-общо се разделят на четири основни типа: - феритни стомани: Основният легиращ елемент в тези стомани е хромът (над 12 %), който стабилизира феритната структура. Обикновено феритните стомани са евтини (защото не съдържат никел или той е в малко количество), магнитни, с висока корозионна устойчивост, но по-трудни за формоване и заваряване в сравнение с аустенитните. Това са хромови стомани с широко приложение за направа на артикули като перални машини, полирани декорации в автомобилите, автомобилни ауспухови системи, покриви, обков, ЖП вагони и др. Феритните стомани представляват около 25% от всички използвани в света неръждаеми стомани. - аустенитни стомани : Аустенитната микроструктура придава на този тип стомани добра обработваемост. Аустенитните марки стомани са немагнитни, с висока якост и корозионна устойчивост, имат висока пластичност, ниска граница на провлачане и добра заваряемост. Съчетанието на тези свойства дава възможност за производство на артикули с всякаква форма. Обикновено са поскъпи от феритните. Получават се при добавяне на никел в състава на хромовите стомани, който стабилизира аустенитната структура. Типичен представител е стомана с приблизителен състав 18%Cr и 8%Ni, известна като марка AISI 304. Този % Ni е минималното количество никел, който трябва да се добави към 18% Cr, за да преобразува напълно феритната структура в аустенитна. Друга широко използвана стомана от серия AISI 300 е стомана 316, която има състава на стомана 304, но съдържа и 2% Mo, добавен за повишаване на корозионната устойчивост. Никелът обаче не е единствения елемент, който изменя феритната структура до аустенит. Азотът е също много мощен аустенитообразуващ елемент, но той е газ и може да бъде добавян само в ограничено количество. В противен случай е възможно образуване на хромни нитриди и дори на газови шупли. Други аустенитообразуващи елементи използвани като заместител на никела са манганът и по-рядко медта. С въвеждането на тези легиращи елементи към хромовата сплав може частично или напълно да се замени никела. Така получените аустенитни сплави са неръждаемите хром-манганови стомани от серия AISI 200. % 80 60 40 20 71.5 72.2 70.8 65.5 63.1 Cr-Ni Cr Cr-Mn 23.2 22.1 21.8 23 24.8 5.3 5.7 7.4 9.4 9.8 0 2001 2002 2003 година 2004 2005 фиг.1. Дялов процент от световното потребление на необработени неръждаеми стомани [5]. Останалите два типа неръждаеми стомани имат специални свойства и относително малък пазарен дял (до 2,6 %) : - мартензитни стомани: Подобно на феритните марки стомани и мартензитните съдържат 12-17% хром. Те обаче имат високо въглеродно съдържание и са обект на специална термична обработка при 178 производството им, която ги прави много твърди и яки. Те се използват в ножарството, както и за изработване на перки на турбини, самобръсначки и др. - аустенитно-феритни (дуплексни) стомани Тези стомани, съдържащи малко количество никел, имат около 50% феритна и 50% аустенитна микроструктура и са с висока якост и пластичност. В по-голямата си част се използват в преработвателната промишленост и корабостроенето. Според Международният форум за неръждаеми стомани (ISSF) в момента делът на хром-мангановите стомани е около 10% от световното потребление на неръждаеми стомани с тенденция към увеличаване на този процент. На фигура 1 е направено сравнение между теглото на използваните хромникелови, хром-манганови и феритни/мартензитни марки стомани. 1.3. Хром-манганови стомани – предимства и недостатъци за пазара на неръждаемите стомани Използваните аустенитообразуващи легиращи елементи значително понижават цената на хром-мангановите стомани, но за леенето и обработването на качествена стомана се изисква по-скъпо и модерно оборудване от необходимото за производството на хром-никеловите. Това е необходимо найвече за стоманите с високо съдържание на азот, където се изисква добър контрол на състава и структурата на стоманата. Различията в химичния състав на двата класа аустенитни стомани се отразява неблагоприятно и върху корозионната устойчивост и заваряемостта на хром-мангановите стомани, но повишават якостните показатели. Последното се наблюдава за стоманите от серия AISI 200 с високо съдържание на азот, който им придава по-голяма якост и твърдост в сравнение с тази на марките от серия AISI 300. Това прави азотните стомани подходящ конструкционен и неръждаем материал, което разширява областта им на приложение. Марката AISI 201, както и българската Х18АГ12 имат с над 30% по-висока якост от тази на стомана 304. Някои много специфични високо якостни класове от серия AISI 200 са били развити като устойчиви на фретинг корозия и за изработване на стебла на витла на кораби. По-високата якост обаче затруднява обработваемостта на хром-мангановите стомани. Въпреки различния химичен състав, микроструктурата на стоманите от серии AISI 200 и AISI 300 обаче е еднаква и това причинява някои неудобства и нежелани последствия. Като аустенитни стомани, хром-мангановите са немагнитни и потребителят им може погрешно да ги приеме като еднакви с немагнигните хром-никеловите стомани от серия АISI 300. За съжаление не са редки и случаите на умишлена заблуда на потребители на неръждаеми стомани, които получават хром- манганова вместо хром-никелова стомана. Друго нежелано следствие от немагнитните свойства на двете серии аустенитни стомани е свързано с рециклирането им. Неръждаемите хром-никелови стомани са сред малкото материали с много висока степен на рециклиране (близо 100%). Това се дължи от една страна на тяхната дълготрайност и от друга на високата им цена - съдържанието на никел в стоманите от серия AISI 300 ги прави най-скъпия железен скрап. Излизането на хром-мангановите стомани на пазара обаче, прави невъзможно разделянето на двете серии немагнитни неръждаеми стомани освен чрез сложни анализи. Тъй като количеството на материала от серия AISI 200 нараства, възможността за попадането му във верига за рециклиране на скрап от хром-никелови стомани вече става реална. Това ще доведе до замърсяването на скрапа с манган, мед и други нежелани елементи и до разстройване на ефикасното рециклиране на неръждаемите стомани. Последствията ще засегнат сериозно цялата индустрия свързана с производството и използването им. Поради изброените неблагоприятни последици от появата на “новите” хром-манганови стомани се наблюдава известен
скептицизъм и неодобрение към производството и използването им. Тези негативни настроения се засилват и от факта, че известно количество от произведените стомани от серия AISI 200 са с ниско качество. Повишеното търсене на евтини неръждаеми стомани е причина редица малки производители, без необходимото оборудване, да произвеждат хром-манганови стомани с високо съдържание на сяра и/или въглерод. Тези елементи впоследствие намаляват корозионната устойчивост и влошават заваряемостта. Затова днес все поважно става насочването на потребителите на неръждаеми стомани към коректен избор на материал и насърчаването на търговията с утвърдени на пазара производители, които гарантират за качеството на продукцията си. 2. Предпоставки и начини за решаване на проблема Високата корозионна устойчивост на неръждаемите стомани е свързана със съдържанието на хром в тях, който в съприкосновение с кислорода образува тънък повърхностен слой от хромен оксид. Този слой, наречен още пасивен, защитава сплавта при контакта й с въздух или водна среда и има свойството да се възстановява при нарушаване. Ниското съдържание на хром води до намаляване на корозионната устойчивост. Много хром-манганови стомани произведени напоследък съдържат по-малко хром от стомана 304 и следователно показват по-голяма чувствителност към всички видове корозия в сравнение с хром-никеловите стомани. Този проблем се решава с повишаване съдържанието на хром, като за запазване на аустенитната структура се увеличава съответно и количеството манган и азот в стоманата [2,4]. Една разработена в България стомана, предназначена да замени конвенционалната хром-никелова AISI 304 е стомана Х18АГ12. От създаването й, преди около 30 години до днес, изследванията проведени със стомана Х18АГ12 са основно свързани с изясняване на влиянието на термичната обработка и на пластичната деформация върху механичните й характеристики. Изследванията на корозионата и устойчивост са съсредоточени основно върху процесите свързани с общата корозия, пасивността и нарушаването й [4, 6, 7]. По отношение на съдържанието на хром, съставът на стомана Х18АГ12 е много благоприятен, тъй като аустенитната структура е постигната чрез добре балансиран химичен състав (висок % Mn и N) и подходяща термична обработка, без да се понижава чувствително % Cr. За установяване на точното място на българската марка сред останалите аустенитни стомани е необходимо сравняването й с други промишлени неръждаеми стомани. За тази цел в настоящата работа са използвани конвенционалния аналог на Х18АГ12, чиято замяна се цели – Х18Н9 (AISI 304), и руската хром-манганова стомана с ниско съдържание на хром – 10Х14АГ15. 3. Резултати и дискусия За комплексно изследване на корозионното поведение на неръждаемите стомани най-често се използва цикличният потенциодинамичен метод. Той позволява охарактеризирането на поведението на металите към обща корозия, склонността към пасивиране при анодна поляризация и нарушаване на пасивното състояние. При потенциодинамичния метод се снемат поляризационни зависимости i = f (Е), от които се определят корозионните потенциал (Еcorr) и плътност на тока (icorr), критичните потенциал (E cr) и плътност на тока (i cr), ширината на пасивната област (ΔEpass), потенциала на нарушаване на пасивното състояние (E pit), както и потенциала на репасивиране (Erp) след развитие на локална корозия. На фигура 2 е показана схематично поляризационна зависимост, начините за определяне на горе изброените характеристични величини, както и влиянието на някои легиращи елементи върху хода й. 179 lg i Ni Cr Cr, Ni icr Mn Ecorr Ecr Ni Mn фиг.2. Схематична поляризационна зависимост E на неръждаема стомана атакувана от питингова корозия в 0.5M H2SO4 и влияние на някои сплавни елементи върху хода й [8]. Erp Epit 3.1. Корозионно поведение на хром-мангановите стомани в кисели среди. На фигура 3 са представени типични поляризационни зависимости в 0,5М H 2SO 4 на трите неръждаеми аустенитни стомани – Х18АГ12, 10Х14АГ15 и Х18Н9 при скорост на разгъване на потенциала 1mV/s. i , A.cm -2 10 -1 10 -2 10 -3 10 -4 10 -5 10 -6 10 -7 icorr ΔЕ pass Cr, Ni N, Cr, Ni Mn -0.4 -0.2 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 E, V Х18АГ12 10Х14АГ15 Х18Н9 фиг. 3. Потенциодинамични зависимости получени за стомани Х18АГ12, 10Х14АГ15 и Х18Н9 в 0.5M H2SO 4 . Както се вижда от фигурата, най-съществените различия в корозионното поведение на хром-мангановите и хромникеловата стомана са в областта на корозионния и критичния потенциали. Стойностите на Е corr за хром-мангановите стомани са близки и по-отрицателни с над 0.25 V от потенциала на Х18Н9. Химичният състав на стоманите се отразява и върху скоростта им на корозия – за хром-никеловата стомана стойността на корозионнатаплътност на тока (i corr) е близо два порядъка по-ниска и при тези условия тя се намира в пасивно състояние. Най-висока скорост на корозия се наблюдава за стомана 10Х14АГ15. Тези резултати показват, че устойчивостта към обща корозия в сернокиселата среда на класическата стомана е значително по-голяма. При анодна поляризация, върху поляризационните зависимости на хром-мангановите стомани се наблюдава ясно изразен активно-пасивен преход. Стоманата с намалено съдържание на хром има по-висока критичена плътност на тока, което показва по-големи затруднения при достигането на пасивното състояние. При потенциали над 0.050 V двете хромманганови стоманите преминават в състояние на анодна пасивност, което се нарушава при достигане на транспасивната област. Параметрите, характеризиращи състоянието на анодна пасивност (плътност на пасивния ток, i pass и ширината на пасивната област, ΔEpass) в сернокиселата среда за стомани
Page 1: ХРОМ-МАНГАНОВИ НЕР

ХРОМ-МАНГАНОВИ НЕРЪЖДАЕМИ СТОМАНИ – РАЗВИТИЕ И ...

Create successful ePaper yourself

Delete template?

Save as template?