Коррозионная стойкость нержавеющей стали: Исчерпывающее руководство

Один из видов нержавеющей стали может демонстрировать хорошую коррозионную стойкость во многих средах, но в некоторых других средах он может корродировать из-за низкой химической стабильности. Другими словами, один вид нержавеющей стали не может быть коррозионностойким во всех средах.

Коррозию металлов можно разделить на три механизма: физическая коррозия, химическая коррозия и электрохимическая коррозия. Физическое растворение металлы относится к физической коррозии. Химическая коррозия относится к прямой химической реакции, происходящей в среде, когда ионы металла непосредственно обмениваются зарядами со средой.

Ранее считалось, что окисление металла под воздействием высоких температур относится к чисто химической коррозии, однако в действительности большинство высокотемпературных окислений относится к электрохимической коррозии. Причина, по которой пассивирующая защитная пленка может предотвратить дальнейшую коррозию металла, - важный аспект, препятствующий скорости ионного обмена и обмена зарядами.

Электрохимическая коррозия - это коррозия металла в результате электродных реакций в электролите. Во многих процессах электрохимической коррозии один металл взаимодействует с другим металлом или участвуют различные фазы внутри металла, образуя так называемую гальваническую коррозию.

В этом сценарии один металл выступает в качестве анода и корродирует, а другой металл выступает в качестве катода и проходит реакцию восстановления, что характерно для электрохимической коррозии. В практической жизни и инженерной практике подавляющее большинство случаев коррозии металлов относится к электрохимической коррозии.

Основными видами коррозии нержавеющей стали являются равномерная коррозия (поверхностная коррозия), точечная коррозия, щелевая коррозия, межкристаллитная коррозия, коррозия под напряжением и другие.

Равномерная коррозия

Равномерная коррозия - это всесторонняя коррозия поверхности металла, находящегося в контакте с агрессивной средой. Равномерная коррозия постоянно уменьшает поперечное сечение металла. Для напряженных компонентов, которые подвергаются коррозии, это увеличивает фактическое напряжение, которое они несут, в конечном итоге достигая предела прочности материала на излом и вызывая разрушение.

Метод оценки равномерной коррозии заключается в измерении потери веса на единицу площади после определенного времени коррозии в условиях испытания (г/м²-год), что является скоростью коррозии.

Если рассчитывать глубину коррозии (мм/год), то это более удобно для определения срока службы оборудования по коррозионной стойкости. Исходя из различных скоростей коррозии, коррозионная стойкость металлических материалов может быть разделена на 10 уровней, как показано в таблице 1-13.

Исходя из различных сценариев использования, коррозионная стойкость обычно делится на два основных уровня: если скорость коррозии составляет менее 0,01 мм/год, она считается "полностью коррозионностойкой"; если скорость коррозии составляет менее 0,1 мм/год, она считается "коррозионностойкой".

Здесь очевидно, что скорость коррозии, превышающая 0,1 мм/год, считается нестойкой или не очень стойкой к коррозии. Существуют и другие методы классификации, но здесь упоминается только один.

По степени устойчивости к коррозии сталь подразделяется на нержавеющую и коррозионно-стойкую.

1. Нержавеющая сталь Относится к стали, устойчивой к коррозии в атмосфере и слабых агрессивных средах.

2. Коррозионно-стойкая сталь Относится к стали, способной противостоять коррозии в различных сильных агрессивных средах.

Таблица 1-13: Классификация коррозионной стойкости

В определенных условиях нержавеющая сталь может подвергаться формам коррозии, выходящим за рамки равномерной коррозии. Любая чрезмерная форма коррозии рассматривается как коррозионностойкая сталь в данной среде.

В инженерной практике при выборе материала и оценке коррозионной стойкости также необходимо учитывать расчетный срок службы оборудования и потенциальное загрязнение химических материалов или снижение качества готовой продукции из-за продуктов коррозии.

Локализованная коррозия

Под точечной коррозией понимается явление, при котором большая часть поверхности металла не корродирует или корродирует незначительно, в то время как локализованная коррозия возникает спорадически. Размер обычных ям составляет менее 1,0 мм, а глубина часто превышает отверстие в поверхности. В более легких случаях образуются относительно глубокие ямы, а в тяжелых случаях может возникнуть перфорация.

Питтинговая коррозия возникает в результате разрушения локальной пассивирующей пленки на поверхности металла. Она начинается с образования коррозионных ям, которые затем продвигаются внутрь от внешней поверхности, представляя собой локальную коррозию.

Питтинговая коррозия - один из распространенных видов коррозионных повреждений нержавеющей стали. В средах, содержащих хлорид-ионы (Cl-), питтинговая коррозия наиболее вероятна для нержавеющей стали. В настоящее время существует несколько подходов к предотвращению точечной коррозии нержавеющей стали:

1. Уменьшите содержание хлорид-иона и кислорода в окружающей среде; введите ингибиторы коррозии (такие как CN-, NO-, SO- и т.д.); понизьте температуру окружающей среды и т.д.

2. Добавление молибдена, марганца, кремния, ванадия или редкоземельных элементов в нержавеющую сталь для усиления легирования, что эффективно повышает ее устойчивость к точечной коррозии.

3. Максимально сократите холодную обработку, чтобы уменьшить вероятность возникновения точечной коррозии в местах дислокаций.

4. Снизить содержание углерода в стали и увеличить содержание хрома и никеля, что может повысить ее устойчивость к точечной коррозии. Существующие листы аустенитной нержавеющей стали с ультранизким содержанием углерода, высоким содержанием хрома-никеля-молибдена и листы ферритной нержавеющей стали ультравысокой чистоты с низким содержанием углерода, азота, молибдена и высоким содержанием хрома обладают высокой стойкостью к точечной коррозии.

Щелевая коррозия

Под щелевой коррозией понимается образование пятнистых или язвенных макроскопических ямок в щелях металлических деталей, представляющих собой одну из форм локализованной коррозии. Обычно она возникает на стыках шайб, заклепок и болтовых соединений, на сварных швах внахлест, на седлах клапанов и на металлических листах.

Из-за покрытия продуктами коррозии и ограниченной диффузии среды в щелях, состав и концентрация среды в этих местах значительно отличаются от общей среды, что приводит к образованию "коррозии закрытых клеток". Основное отличие в механизме образования щелевой коррозии от точечной заключается в электрохимической неоднородности среды.

Листы из аустенитной, ферритной и мартенситной нержавеющей стали в разной степени подвержены щелевой коррозии в морской воде. Повышение устойчивости к щелевой коррозии может быть достигнуто путем соответствующего увеличения содержания хрома и молибдена в стали.

С практической точки зрения, для устройств, используемых в морской воде, эффективно предотвратить щелевую коррозию могут только такие материалы, как титан, сплавы на основе никеля с высоким содержанием молибдена и медные сплавы. Улучшение условий эксплуатации, изменение состава среды и модификация структурных форм - все это важные меры по предотвращению щелевой коррозии.

Межкристаллитная коррозия

Межкристаллитная коррозия - это одна из форм селективного коррозионного повреждения. Ее отличие от общей селективной коррозии заключается в том, что локализованная коррозия происходит на микроскопическом уровне и не обязательно может быть макроскопически локализована.

Этот тип коррозии возникает в основном на границах зерен микроструктуры металла и проникает в его внутреннюю часть, поэтому его называют межкристаллитной коррозией. После возникновения этого типа коррозии она не всегда заметна снаружи. Однако из-за вызванного коррозией повреждения границ зерен прочность связи между ними почти полностью утрачивается.

Компоненты со значительной глубиной коррозии могут потерять свою структурную целостность, что приведет к катастрофическому разрушению из-за перегрузки. Сильно корродированный металл может даже распасться на порошок и отделиться от компонента. Это очень пагубная форма коррозионного повреждения.

Коррозия под напряжением

Коррозия под напряжением - это коррозионное разрушение металла, которое происходит в определенной среде под совместным воздействием стресса и определенного уровня напряжения. Коррозия под напряжением не возникает в отсутствие напряжения или при слишком низком уровне напряжения в определенной среде. Аналогичным образом, наличие значительного напряжения без определенной среды не приводит к коррозии под напряжением.

Термин "специфическая среда" означает условие, при котором только при подходящем составе и концентрации среды может возникнуть коррозия под напряжением в определенном соответствующем металле.

С 1960-х годов в сварных деталях из нержавеющей стали произошло множество случаев разрушения из-за коррозии под напряжением, что привело к полностью хрупкому разрушению. Во время медленного распространения трещины не наблюдается никаких других макроскопических симптомов, а при достижении поверхности мгновенного разрушения происходит быстрое разрушение, часто вызывающее катастрофические аварии со значительным риском. Поэтому этой проблеме уделяется большое внимание.

Механизмы и профилактические меры, связанные с межкристаллитной коррозией и коррозией под напряжением сварных соединений из нержавеющей стали, будут подробно рассмотрены в главе 3.