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 пов’язане 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. об’єм сполуки, що виникає з металу й окиснювача (Vок), повинен бути більшим від об’єму 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 зв’язки 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.

Завантажити статтю