Корозієстійкі сплави та матеріали
Визначення і загальна характеристика
КОРОЗІЄСТІЙКІ́ СПЛА́ВИ ТА МАТЕРІА́ЛИ — сплави та матеріали, яким властива підвищена корозійна тривкість. К. с. та м. бувають конструкц. (метал., неметал., композиц.; використовують для виготовлення конструкцій; див. Конструкційні матеріали, Композиційні матеріали) та захисні (захищають метал. споруди від корозії). Сплави та матеріали з підвищеною хім. тривкістю в агрес. газових середовищах за підвищеної температури відносять до жаростійких (див. Жаростійкість та жаростійкі металеві матеріали). До корозієстій. сплавів належать сталі, чавуни, сплави на основі нікелю, міді (бронза, латунь), алюмінію, титану, цирконію, танталу, ніобію тощо. Їхню опірність електрохім. корозії можна підвищити збільшенням термодинам. стабільності або гальмуванням катод. й анод. процесів. На практиці підвищення короз. тривкості тех. сплавів досягають легуванням, що гальмує анод. процес унаслідок їх пасивування в умовах експлуатації. Найкраще пасивуються хром і титан. Уведенням хрому (> 12 %) в метали, які менше схил. до пасивації, напр., залізо, одержують сплави, здатні пасивуватися. Таким чином виготовляють нержавіючі сталі. На основі дослідж. Гойє у Франції (1904), Ф. Моннарца, Е. Маурера, Б. Штрауса у Німеччині (1908–12), Г. Бреарлі в Англії (1913) нержавіючі сталі Fe–Cr–Ni вперше були застосовані на сталеплавил. заводах Ф. Круппа. Сталі, що містять 12–14 % хрому, тривкі в атмосфер. умовах і в низькоагресив. розчинах; з підвищенням вмісту вуглецю гартуються, вирізняються підвищеною міцністю, жаротривкістю до температури 750 °С. Сталі, що містять 16–18 % хрому, стійкі в окиснювал. кислотах (напр., у нітратній), зниження вмісту вуглецю та наявність титану покращують їхню зварюваність, вони жаротривкі до температури 850 °С. Сталі, що містять 25–28 % хрому, стійкі в окиснювал. кислотах, жаротривкі до температури 1000 °С. З цих сталей виготовляють апаратуру для виробництва гіпохлоритів і розчинів фосфат. кислоти, ковші для розтоплених кольор. металів. Хромонікел. сталі аустеніт. структури, що містять 17–19 % хрому та 8–10 % нікелю, найпоширеніші в хім. машинобудуванні. Вони стійкі в окиснювал. і в деяких орган. кислотах, чутливі до іону хлору в кислих розчинах; наявність у цих сталях титану або ніобію та зменшення вмісту вуглецю знижує їхню схильність до міжкристаліт. корозії. Уведення у такі сталі 3–4 % молібдену підвищує їхню стійкість в розведених розчинах неокиснювал. кислот до пітінг. та щілин. корозії. Хромонікел. сталі з меншим вмістом нікелю (аустенітно-ферит. структури) вирізняються вищою міцністю порівняно з чисто аустенітними, але дещо нижчою короз. тривкістю. У хромомарганцевонікел. аустеніт. сталях частина нікелю замінена марганцем або марганцем і азотом. Вони характеризуються дещо нижчою здатністю пасивуватися. Нікельмід. чавун (~ 14 % Ni, 7 % Cu, 2 % Si) стійкий у розведеній сульфат. кислоті, нестійкий у нітратній; з нього виготовляють литі деталі, які експлуатують у кислих неокиснювал. середовищах. Хромонікел. чавун (18 % Cr, 8–9 % Ni, 1,8 % Si) стійкий у нітрат. кислоті й окисниках, нестійкий в сульфат. і хлорид. кислотах, не кородує в атмосфер. умовах. Високосиліцієвий чавун (14,5–18 % Si) стійкий у найагресивніших середовищах — сульфат., нітрат. і хлорид. кислотах, нестійкий у флюорид. кислоті. Силіцієвомолібден. чавун (14,5–16 % Si, 3–4 % Мо) стійкий до дії гарячої хлорид. кислоти. Високу короз. тривкість в різних кислотах мають сплави нікелю з міддю (~ 30 %, монель-метал) і молібденом (28–30 %, хастелой). Сплави нікелю з хромом (~ 20 %, інконель) є жароміцними. Бронзи та латуні стійкі в розведених неокиснювал. і орган. кислотах, у сольових розчинах, нестійкі в кислих окиснювал. середовищах. У мор. воді задовіл. короз. тривкість мають деякі миш’яковисті латуні (з вмістом 0,03–0,05 % As). Сплави алюмінію стійкі в сольових розчинах і окиснювал. середовищах, у концентров. нітрат. кислоті та в харч. середовищах, нестійкі в лугах. Титан стійкий у окиснювал. середовищах, нітрат. кислоті, вологому хлорі, «цар. горілці», в холодних хлорид. і сульфат. кислотах до 3–5 % концентрації та в мор. воді. Для підвищення короз. тривкості та міцності його легують алюмінієм, ванадієм, хромом, молібденом, паладієм тощо. Цирконій стійкий у розчинах, які містять іони хлору, в хлорид. кислоті до температури 100 °С і у фосфат. кислоті до температури 60 °С. Сплави цирконію з оловом або ніобієм порівняно з чистим цирконієм, мають вищу стійкість до наводнювання у воді за високих т-р і тисків (застосовують в атом. промисловості). Тантал і його сплави стійкі в хлорид., нітрат. і фосфат. кислотах, у «цар. горілці» та сульфат. кислоті всіх концентрацій за винятком концентрованої; нестійкі у флюорид. кислоті та концентров. лугах. Вони окрихчуються воднем, що виділяється катодно. Ніобій і його сплави також корозієстійкі, хоча менш кислотостійкі, ніж сплави танталу, та зазнають водневого окрихчення. До неметал. корозієтрив. матеріалів належать алюмосилікати, кальцієві силікати або чистий кремнезем з оксидами ін. елементів. Андезит, базальт, граніт, бештауніт, діорит, кварцит та ін. природні силікатні матеріали, в яких переважають нерозчинні кислотні оксиди, мають високу кислотостійкість у всіх кислотах, за винятком флюоридної. Доломіт, мармур і вапняк, які містять основні оксиди, не є кислотостійкими, але стійкі в лугах. Природні силікатні матеріали застосовують у вигляді блоків і плит для виготовлення башт і футерування місткостей та апаратів (не теплообмін. типу), які експлуатують в сильнокислих розчинах. Найширше використовують штучні силікатні матеріали, отримані внаслідок плавлення гірських порід: камінне литво (діабаз, базальт), тех. ситали та шлакоситали, силікатні та кварц. стекла, кислотостійкі емалі. Спіканням силікат. гірських порід отримують різні керам. вироби. Штучно отримані силікатні матеріали використовують в хім. та ін. галузях промисловості для виготовлення труб, арматури та змійовиків або як футерувал. матеріал місткостей і апаратів. Кислотостійкими є скловолокнисті матеріали, зокрема скляна вата, скляна тканина та природні слюда й азбест. До композиц. корозієтрив. матеріалів на основі металів належать нікель, титан і алюміній, зміцнені ниткоподіб. кристалами оксиду алюмінію, бору, вуглецю, карбіду бору, кремнію та берилію або неперерв. волокнами вольфраму та молібдену. Композиц. корозієстійкими матеріалами на основі неметал. матеріалів є деякі композиції ситалів зі скловид. матрицею, а також широко застосовують композиції на основі цементу (напр., залізобетон). Композиц. матеріалами є також кислотостійкі мастики (цемент. типу), здатні самовільно тверднути. Їх використовують при футеруванні хім. апаратури керамікою, діабазом, склом, графітом тощо, щоб закріпити ці матеріали, створити герметичність у місцях з’єднання. Найчастіше застосовують силікатні кислотостійкі мастики, які виготовляють змішуванням тонко подрібнених наповнювачів (андезиту, базальту, діабазу тощо) з домішками (бл. 5 %) натрію силіційфлюориду на рідкому склі. Такі мастики стійкі в концентров. мінерал. кислотах, окрім флюоридної та фосфатної, але нестійкі до лугів, жаротривкі до температури 800 °С. Хім. стійкість полімерів залежить гол. чином від природи осн. ланцюга, наявності функціонал. реакційноздат. груп і структури та визначається процесами дифузії, набухання й хім. реакціями. У кислих і лужних водних розчинах, окисниках та орган. розчинниках найстійкішим є фторопласт. Дещо поступаються фторопласту полімери на основі епоксид. смол. Високу хім. стійкість мають полімери на основі полікарбонатів, полівінілхлориду (крім орган. розчинників), поліформальдегіду (крім окисників), фенолформальдегіду (крім лугів). Високу стійкість в кислих і лужних водних розчинах має натурал. каучук, а у нейтрал. — поліуретани. Удосконалення існуючих і розроблення нових метал. і неметал. матеріалів здійснюють Iн-т проблем матеріалознавства, Інститут електрозварювання, Фіз.-технол. інститут металів і сплавів, Інститут хімії високомолекуляр. сполук (усі — Київ), Інститут чорної металургії (Дніпропетровськ), Нац. наук. центр «Харків. фіз.-тех. інститут», Інститут проблем машинобудування (Харків), Фіз.-мех. інститут (Львів; усі — НАНУ).