Жаростійкість та жаростійкі металеві матеріали

Визначення і загальна характеристика

ЖАРОСТІ́ЙКІСТЬ ТА ЖАРО­СТІЙКІ́ МЕТАЛЕ́ВІ МАТЕРІА́ЛИ Захистом металів від корозії людство за­ймається з давніх часів. Уперше досліджувати процеси окисне­н­ня та роз­чине­н­ня металів роз­почав рос. вчений М. Ломоносов. У само­стійну наук. дисципліну вче­н­ня про корозію та захист металів від корозії ви­окремлено на поч. 20 ст. Її роз­винуто завдяки працям низки вітчизн. (І. Францевич, Р. Войтович, В. Лавренко) та закордон. (А. Архаров, Н. Томашов, П. Коф­стад, Ю. Еванс, О. Кубашевський, Б. Гопкінс, С. Вагнер) учених. Наука про корозію та захист металів ви­вчає процеси хім. і електрохім. взаємодій металів з короз. середовищем, встановлює заг. закономірності цієї взаємодії та роз­робляє методи боротьби з нею. Жаро­стійкість (Ж.; ін. назва — окалино­стійкість) — здатність матеріалів (металів, сплавів) протидіяти газовій корозії (взаємодія з повітрям та ін. газовими середовищами) при під­вищених т-рах. Найпоширенішим видом газової корозії є окисне­н­ня. Воно від­бувається під час роботи багатьох метал. деталей і апаратів, під час обробле­н­ня металів при високих т-рах. Кількісне оцінюва­н­ня Ж. проводять за питомою зміною маси матеріалу (q, кг/м²) після окисне­н­ня при ви­значеній т-рі протягом певного часу: q = Δm/S, де Δm — зміна маси зразка металу (кг), S — окиснена поверх­ня зразка (м²). Для кількіс. оцінюва­н­ня швидкості окисне­н­ня металів (сплавів) використовують показник зміни маси. Порівня­н­ня Ж. різних матеріалів проводять за швидкістю їх окисне­н­ня при однакових температур. і часових умовах. На практиці пере­важно використовують одиницю г/м²·год. або мг/см²·год. Залежно від окисне­н­ня, зі збільше­н­ням чи з втратою маси показник зміни маси може бути позитивний або негативний. Якщо під час окисне­н­ня від­бувається зміна мех. або ін. фіз. властивостей, то за­стосовують ін. показники корозії, напр., механічний, що є зміною будь-якого показника мех. властивостей металу протягом певного часу окисне­н­ня, виражену у від­сотках (q0, % протягом часу τ). Для роз­рахунку Ж. металів В. Нікітін за­пропонував параметрич. метод, який ґрунтується на сучас. уявле­н­нях про корозію металів. Під час його проведе­н­ня за­стосовують параметричні діа­грами та номо­грами еквівалент. часу. Для ви­значе­н­ня праце­здатності матеріалу при під­вищених т-рах і в агресив. середовищах існує кілька методів короз. дослідж.: лабораторні (у лаборатор. штучно створених умовах), позалабораторні, або стендові (у природ. умовах екс­плуатації), екс­плуатаційні (у вузлах машин і апаратів), а також тривалі, які від­повід­ають тривалості екс­плуатац. умов, і при­скорені, які виникають у штуч. умовах, що пришвидшують процес окисне­н­ня.

Жаро­стійкість чистих металів. За характером своєї поведінки під впливом повітря або кисню при під­вищених т-рах виділяють 5 груп металів, які використовують у техніці: лужні та лужноземел. (характерна лінійна кінетика окисне­н­ня; при до­стат. під­вищен­ні температури реакція їх окисне­н­ня може само­при­скорюватися, внаслідок чого на­стає самоза­йма­н­ня; стійкість до окисне­н­ня на повітрі у них зро­стає в ряду: К, Na, Li, Ba, Ca, Mg); Mn, Fe, Ti, Co, Zr, Cu, Ni (характерні параболічна залежність (в основному) росту шару продуктів окисне­н­ня; від­хиле­н­ня від квадратично-параболіч. залежності при деяких умовах окисне­н­ня, яке повʼязане з роз­тріскува­н­ням або сколюва­н­ням шару продуктів окисне­н­ня); Zn, Si, Be, Al, Cr (най­стійкіші до окисне­н­ня внаслідок утворе­н­ня оксид. плівок з найвищими захис. властивостями; є осн. легуючими елементами жаро­стійких сплавів, можуть працювати як покри­т­тя на виробах, які екс­плуатують в умовах газової корозії); Mo, W, V, Re, Os, Ru, Jr (їх оксиди леткі, не мають захис. властивостей при під­вищених т-рах; характерний ліній. закон окисне­н­ня; інколи за­стосовують у виробах, які екс­плуатують в неокиснюваних середовищах, або які мають нанесені захисні покри­т­тя); Ag, Pd, Pt, Au (їх оксидам властива висока пружність дисоціації, тому вони є термодинамічно стабільними). За Ж. матеріали порівнюють від­повід­но до показників макс. робочої температури, до якої він працює без покри­т­тя (напр., для Al, V — 400 °C, Cu, Mo — 450 °C, Zr, Fe — 500 °C, Ti — 600 °C, Ni, W — 800 °C, Cr — 1000 °C; нижче за­значеної температури для того чи ін. металу швидкість газової корозії на повітрі не пере­вищує 30 мг/см² за 100 год.), або швидкості окисне­н­ня в однакових умовах. Встановлено, що при високих т-рах (1200–1300 °С) лише Pt та Rh мають високу Ж. Os, Re, Mo, W недо­статньо стійкі внаслідок летючості їх оксидів, а Fe, Zr, Ti, Nb — через слабкі захисні властивості окалин, що утворюються на них при т-рах 900–1200 °С. Окисне­н­ня металів від­бувається в результаті їх термодинаміч. не­стійкості в різних середовищах. Більшість металів при взаємодії з киснем повітря або ін. окиснювачами покривається плівкою продуктів корозії (оксиду або ін. сполуки). Тому Ж. металів, а також закони зро­ста­н­ня товщини плівки на металах, залежать від захис. властивостей плівок продуктів корозії (окалин), що виникають на поверх­ні металу, механізму та кількіс. закономірностей їх росту, впливу різних факторів на характер і швидкість короз. процесу. На початк. стадії окисне­н­ня утворюються суціл. з невеликою кількістю дефектів і когерентні плівки. Зі збільше­н­ням товщини у плівці (окалині) роз­виваються напруги, які призводять до її руйнува­н­ня, від­шарува­н­ня та сколів, а спрямованість дифуз. потоків ви­значає її щільність і адгезію до поверх­ні. Плівка, що має захисні властивості, пере­шкоджає проникнен­ню ре­агентів (металу й окиснювача) один до одного. Захисні властивості плівки оцінюють за швидкістю окисне­н­ня металу, яка встановлюється при її виникнен­ні, та характером зміни цієї швидкості в часі. Значні захисні властивості мають лише суціл. плівки, тобто такі, що покривають суціл. шаром всю поверх­ню металу. Можливість утворе­н­ня такої плівки об­умовлена критерієм суцільності Піл­лінґа–Бедворса: молекуляр. обʼєм сполуки, що виникає з металу й окиснювача (Vок), повинен бути більшим від обʼєму металу (VМе), витраченого на утворе­н­ня молекули сполуки. У реал. умовах збільше­н­ня плівки можуть виникати напруги, що змінюють її захисні властивості. За ви­значе­н­ням І. Францевича, до­статні захисні властивості мають плівки на металах, які задовольняють умові 2,0 > Vок / VМе > 1,0. При цьому характер гальмува­н­ня процесу окисне­н­ня, а також зро­ста­н­ня захис. шару окалини та її еволюція ви­значають кінетику газової корозії, тобто зміну швидкості процесу окисне­н­ня металу в часі. Залежно від виду окисне­н­ня кінетика окисне­н­ня металів може від­буватися від­повід­но до ліній. (h = Клτ, де h — товщина плівки, що утворюється, Кл — кон­станта швидкості хім. реакції; тобто товщина плівки або величина хім. корозії буде пропорційна часу τ), параболіч. (h² = Кпτ; тобто процес корозії гальмується дифузією ре­агентів через плівку і в міру потовще­н­ня плівки сповільнюється подальше її зро­ста­н­ня) або логарифміч. (h = Кlg (ατ + b), тут К, α і b — по­стійні, а τ > 0; пояснює зро­ста­н­ня плівки пере­несе­н­ням іонів або електронів у тонких плівках за механізмом, що від­різняється від дифузійного) законів. Зі зміною умов окисне­н­ня (часу, температури, складу атмо­сфери) закон окисне­н­ня металу може пере­йти в інший. У низки металів (Fe, Ni, Cu, Al, Zn, Ti, Ta та ін.) зі зміною температури, тривалості окисне­н­ня, складу газу окисне­н­ня від­бувається за різними законами. Встановлено заг. тенденцію до зниже­н­ня самогальмува­н­ня окисне­н­ня металів у часі зі зро­ста­н­ням температури: логарифміч. закон → зворот. логарифміч. закон → степеневий закон з n > 2 (зокрема й кубіч. закон) → параболіч. закон → складнопараболіч. закон → ліній. закон. Загалом осн. закономірності окисне­н­ня чистих металів є до­статньо ви­вченими. Про­блема ж окисне­н­ня сплавів все ще залишається на стадії екс­перимент. досліджень. Матеріало­знавці лише ви­значили емпіричні звʼязки між параметрами окисне­н­ня сплавів і властивостями поверх­невих шарів.

Жаро­стійкість сплавів. Найпоширеніші жаро­стійкі матеріали — сплави на основі заліза, нікелю та кобальту. На сучас. етапі роз­робниками за­пропоновано кілька складів сплавів на основі хрому. Нині також вони працюють над під­вище­н­ням робочих т-р сплавів на основі алюмінію, ванадію, титану та цирконію. Осн. метод під­вище­н­ня Ж. металів — легува­н­ня. Найповніше ви­вчено вплив легуючих елементів на Ж. заліза та ви­значено граничні межі вмісту компонентів, що під­вищують Ж. і забезпечують до­стат. рівень жароміцності. Виявлено, що хром, алюміній і кремній є осн. компонентами, що під­вищують Ж. заліз., нікелевих та ін. сплавів. Значно покращують служб. властивості матеріалів, зокрема й Ж., короз. стійкість, рідкісноземел. метали (РЗМ). Для під­вище­н­ня Ж. РЗМ використовують порівняно давно, однак механізм їх впливу на процес окисне­н­ня встановлено лише для нікель-хромових сплавів і сплавів на основі хрому. Під­вище­н­ня Ж. забезпечують утворе­н­ням в окалині дрібнодис­перс. виділень шпінелю типу (NiCr₂РЗМ)О₄, LaCrO₃, YCrO₃, які, роз­ташовуючись на межах зерен і субзерен, побл. і на самому кордоні оксид. плівки, скріплюють їх, зменшуючи шляхи полегшеної дифузії. Цей ефект сприяє також знижен­ню сколюючих напруг та під­вищен­ню адгезії оксид. шару. Гранична температура за­стосува­н­ня: сталі (Fe-0,1 C) — 480 °C; хромистої сталі — 750 (Fe-10 Cr), 800 (Fe-15 Cr), 850–900 (Fe-20 Cr), 1050–1100 (Fe-25 ÷ 30 Cr), 900 (Fe-10 Cr-2 Al), 1100 (Fe-20 Cr-4 Al), 1250 (Fe-25 Cr-5 Al), 1300 (Fe-30 Cr-5 Al) °C; хромонікелевої сталі — 900 (Fe-18 Cr-8 Ni; Fe-18 Cr-12 Ni-2 Mo), 1000 (Fe-24 C-12 Ni), 1150 (Fe-25 Cr-20 Ni) °C; нікелевих сплавів — 1000 (Ni-12 Cr-22 Fe), 1100 (Ni-15 Cr-19 Fe), 1150 (Ni-17 Cr-17 Fe), 980 (Ni-20 Cr-10 Co-10 Mo-3 Ti-1,1 Fe), 1200 (Ni-23 Cr-18,5 Fe-9 Mo-1,5 Co-0,6 W) °C; кобальтових сплавів — 980 (Сo-20 Cr-20 Ni-4 Mo-4 W- 4 Nb), 1150 (Co-27 Cr-5 Mo-3 Ni) °C; хромових сплавів — 1200 (Cr-0,5 V-0,5 Ta-0,25 La; Cr-1,6 V-0,6 Y-0,05 B), 1300 (Cr-45 Fe-4 Al) °C. Швидкість окисне­н­ня на повітрі (1000 °C, 100 год.): Fe-25 ÷ 30 Cr — 0,5, Fe-30 Cr-5 Al — 0,01–0,02, Ni-23 Cr-18,5 Fe-9 Mo-1,5 Co-0,6 W — 0,6, Cr-0,5 V-0,5 Ta-0,25 La — 0,2, Cr-1,6 V-0,6 Y-0,05 B — 0,5, Cr-45 Fe-4 Al — 0,01–0,02 мг/см²·год. Тобто під­вищен­ню Ж. сплавів сприяє насамперед збільше­н­ня вмісту хрому й алюмінію, а також кремнію, який може міститися (0,5–1,0 %) в сплавах на основі заліза, нікелю та хрому.

Літ.: Францевич И. Н., Войтович Р. Ф., Лавренко В. А. Высокотемпературное окисление метал­лов и сплавов. К., 1963; Kубашевский О., Гопкинс Б. Окисление метал­лов и сплавов / Пер. с англ. Москва, 1965; Никитин В. И. Расчет жаро­стойкости метал­лов. Москва, 1976; Томашов Н. Д. Высокотемпературное окисление (газовая кор­розия) метал­лических сплавов // Итоги науки и техники. Сер. Кор­розия и защита от кор­розии. Москва, 1991. Т. 17.

Н. Ю. Порядченко

Завантажити статтю