CC BY
286
МАШИНОСТРОЕНИЕ МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ И ТЕРМИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
УДК 620.193.4:544.6
Н. А. АМИРХАНОВА, Р.З.ВАЛИЕВ, А.Ф.РАЗЯПОВА, Г.И.РААБ
ИССЛЕДОВАНИЕ КОРРОЗИОННОГО ПОВЕДЕНИЯ И ВЫСОКОСКОРОСТНОГО РАСТВОРЕНИЯ СТАЛЕЙ СТ3, СТ45 И 12Х18Н10Т В КРУПНОЗЕРНИСТОМ И УЛЬТРАМЕЛКОЗЕРНИСТОМ СОСТОЯНИЯХ
Представлены исследования коррозионных свойств и высокоскоростного растворения углеродистых и нержавеющей сталей с крупнозернистой (КЗ) и уль-трамелкозернистой (УМЗ) структурами. Установлено, что стали в УмЗ состоянии более коррозионноактивны, чем их КЗ аналоги. Выявлено, что стали с УМЗ структурой в 5% растворе №С1 ионизируются с большими плотностями тока, чем с КЗ структурой. При поляризации сталей в 5%, 8%, 15% растворах NN03 ионизация сталей с КЗ структурой происходит с большими плотностями тока и при более отрицательных потенциалах, чем сталей с УМЗ структурой. Крупнозернистая структура; ультрамелкозернистая структура; углеродистая сталь; коррозионностойкая сталь; скорость коррозии; электродный потенциал;
поляризация
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время современным конструкционным материалом, используемым при строительстве трубопроводов различного назначения, остается обычная углеродистая или низколегированная трубная сталь, однако, изменяется и подход к оценке ее коррозионной стойкости в конкретных условиях эксплуатации, в частности, в водных средах с повышенным содержанием ионов хлора [1].
Изделия и конструкции из углеродистых и низколегированных сталей достаточно часто корродируют в средах с рН, близким к семи. Морская, атмосферная и подземная коррозия, коррозия теплотрасс, водопроводов и водоводов — далеко не полный перечень случаев коррозии в таких средах. Вместе с тем, именно в нейтральных растворах электрохимическое поведение железа наименее изучено, в результате чего имеющиеся в литературе сведения малочисленны и противоречивы [2].
В последние десятилетия созданы материалы с УМЗ структурой, имеющие размер зерен 0,1 —0,3 микрон, которые обладают уникальными структурой и свойствами, у них изменяются фундаментальные характеристики, такие как температура Дебая и Кюри, намагниченность насыщения и др. [3].
В связи с наличием высокой прочности на сжатие и изгиб, а также определенной пластичности, весьма перспективно использование высокоскоростной сверхпластично-
сти сплавов в автомобильной промышленности и машиностроении [4].
В настоящее время преимущественно изучаются структурные модели данных материалов, эволюции при отжиге, исследуются фундаментальные характеристики, а именно — физические свойства материалов с УМЗ структурой (магнитные свойства, упругость, внутреннее трение, зернограничная диффузия и т.д.), деформационное поведение. Однако сведений по коррозионному поведению и высокоскоростному растворению сталей с УМЗ структурой недостаточно.
В данной работе исследовались коррозионные свойства углеродистых и коррозионностойкой сталей с УМЗ структурой в сравнении с КЗ структурой, а также высокоскоростное растворение для разработки технологии электрохимической размерной обработки.
Целью данной работы является исследование влияния УМЗ структуры сталей на их коррозионное поведение и высокоскоростное растворение в сравнении с их КЗ аналогами.
ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
В качестве объектов исследования были выбраны две группы материалов, резко отличающиеся по своим коррозионным свойствам. Первая группа — углеродистые стали Ст3 и Ст45 с низкой коррозионной устойчивостью. Ко второй группе относится нержавеющая сталь марки 12Х18Н10Т.
Методом равноканальной угловой деформации получены образцы малоуглеродистой стали Ст3, Ст45 и высоколегированной стали 12Х18Н10Т в УМЗ состоянии, которым присущи высокая плотность дислокации, а величина зерна составляет 0,3-0,5 микрон, т. е. меньше, чем в крупнозернистом состоянии в 167 раз.
МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТА
При определении потенциалов без тока исследуемые образцы зачищались до блеска, промывались дистиллированной водой и спиртом и помещались в электрохимическую ячейку с установочными окнами для электрода сравнения и капилляра Луггина-Габера. В качестве электрода сравнения использовался хлорсеребряный электрод ( В). Из-
менение потенциала прослеживалось на по-тенциостате ПИ-50-1.1. Определение проводили до установления постоянного потенциала, то есть пока значение не изменялось в пределах 10 мВ в течение 5 минут.
Коррозионная стойкость сталей Ст3, Ст45 и 12Х18Н10Т исследовалась в 3% растворе №С1 и 1М растворе НС1, скорости коррозии определяли гравиметрическим методом.
Микроструктура поверхности образцов сталей в КЗ и УМЗ состояниях после коррозионных испытаний изучалась с помощью металлографического микроскопа.
Высокоскоростное анодное растворение сталей в КЗ и УМЗ состояниях изучалось путем снятия потенциодинамических поляризационных кривых на вращающемся электроде. Потенциодинамические поляризационные кривые сталей Ст3 и 12Х18Н10Т снимались в 5% растворе №С1 и в 5%, 8%, 15% растворах №N03 при скорости вращения ^Вращ = 1000 об/мин и скорости развертки В/с.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 1-4 представлены потенциалы без тока для сталей с КЗ и УМЗ структурами.
Из рис. 1-4 видно, что стали с УМЗ структурой характеризуются более отрицательными значениями потенциалов в сравнении с КЗ структурой. Данная тенденция прослеживается как в 3% растворе №С1, так и в 1М растворе НС1.
♦ 1- Ст3 кз —О— 2 - Ст3 умз —■— 3 - Ст45 кз —"—4 - Ст45 умз
1, мин
Рис. 1. Потенциалы без тока Ст3 и Ст45 с КЗ и УМЗ структурами в 3% растворе №С1
—1 - Ст3 кз О 2 - Ст3 умз —■— 3 - Ст45 кз —в— 4 - Ст45 умз
150 1 МИН
Рис. 2. Потенциалы без тока Ст3 и Ст45 с КЗ и УМЗ структурами в 1М растворе НС1
ф, В 0,010 -0,010 -0,030 -0,050 -0,070 -0,090 -0,110 -0,130 -0,150
0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 1, МИН
Рис. 3. Потенциалы без тока стали 12Х18Н10Т с КЗ и УМЗ структурами в 3% растворе №С1
ф, В
Рис. 4. Потенциалы без тока стали 12Х18Н10Т с КЗ и УМЗ структурами в 1М растворе НС1
В табл. 1 приведены скорости коррозии сталей Ст3, Ст45 и 12Х18Н10Т.
-1 - кз -2 - умз
ф, В
Рис. 5. Фотографии поверхности стали Ст3 после коррозионных испытаний (х150)
Рис. 6. Фотографии поверхности стали Ст45 после коррозионных испытаний (х150)
1МНС1
Рис. 7. Фотографии поверхности стали 12Х18Н10Т после коррозионных испытаний (х150)
Т аблица1
Электролит Скорость коррозии, г/м2 -час
СтЗ Ст45 12Х18Н10Т
КЗ УМЗ КЗ УМЗ КЗ УМЗ
1М НС1 55,07 67,41 31,48 50,90 0,59 1,72
3% №С1 7,10 10,70 6,20 9,30 0,20 0,53
Как видно из табл.1, скорости коррозии сталей в 1М растворе НС1 значительно выше, чем 3% растворе №С1 как для КЗ, так и для УМЗ состояний. Выявлена следующая закономерность: углеродистые и нержавеющая стали в УМЗ состоянии корродируют с большей скоростью, чем в КЗ состоянии. В 1М растворе НС1 скорости коррозии Ст3 и Ст45 в УМЗ состоянии в 1,2 и 1,6 раза выше, в 3% растворе №С1 — в 1,5 раза выше, чем в КЗ состоянии. В 1М растворе НС1 скорость коррозии стали 12Х18Н10Т в УМЗ состоянии в 2,9 раза, а в 3% растворе №С1 — в 2,7 раза выше, чем в КЗ состоянии. Более высокие скорости коррозии для сталей с УМЗ структурой по сравнению с образцами стали с КЗ структурой обусловлены значительным количеством дефектов и наличием большей протяженности границ зерен, которые являются активными центрами коррозионных разрушений. Вследствие того, что 1М раствор НС1 является более агрессивной средой по сравнению с 3% раствором №С1, скорости коррозии в 1М растворе НС1 значительно выше как для образцов в КЗ, так и в УМЗ состояниях. Таким образом, стали Ст3, Ст45 и 12Х18Н10Т с УМЗ структурой более коррозионноактивны, чем с КЗ структурой.
На рис. 5-7 представлены фотографии микроструктур поверхности образцов сталей в КЗ и УМЗ состояниях после коррозионных испытаний.
Выявлено, что после выдерживания образцов в 1М растворе НС1 количество питтин-гов на поверхности сталей больше, чем после выдерживания в 3% растворе №С1. На поверхности сталей Ст3, Ст45 и 12Х18Н10Т с УМЗ структурой образуется большее количество питтингов, чем для сталей с КЗ структурой как в 1М растворе НС1, так и в 3% растворе №С1.
На рис. 8, 9 приведены поляризационные потенциодинамические кривые сталей Ст3 и 12Х18Н10Т в различных электролитах.
Выявлено, что сталь Ст3 как в КЗ, так и в УМЗ состояниях в 5% растворе №С1 ионизируется в активной области.
Рис. 8. Поляризационные потенциодинамиче-ские кривые стали Ст3 в 5 (1), 8 (2), 15% (3) растворах №N03 и 5% (4) растворе №С1 при Увращ = 1000 об/мин
Рис. 9. Поляризационные потенциодинамиче-ские кривые стали 12Х18Н10Т в 5 (1), 8 (2), 15% (3) растворах №N03 и 5% (4) растворе шС1 при Увращ = 1000 об/мин
Сталь Ст3 с УМЗ структурой в активной области ионизируется с большей скоростью и при более отрицательных значениях потенциала, чем образец стали с КЗ структурой (рис. 8). Сталь 12Х18Н10Т анодно поляризуется лишь в анодно-анионной области, как в КЗ, так и в УМЗ состояниях. При потенциале более 1 В образец стали в УМЗ состоянии, как и в случае стали Ст3, ионизируется с большими плотностями тока, чем образец стали в КЗ состоянии (рис. 9).
При поляризации сталей Ст3 и 12Х18Н10Т в 5%, 8%, 15% растворах №N03 выявлена общая закономерность: потенциалы начала анодно-анионной активации по-ложительнее 2 В, при этом ионизация сталей с КЗ структурой происходит с большими плотностями тока и при более отрицательных потенциалах, чем для сталей с УМЗ структурой (рис. 8, 9). При анодной поляризации в растворах Na.N0 (5%, 8%, 15%), возможно, происходит формирование более плотной пассивирующей пленки, которая сдерживает процесс анодно-анионной активации, как в КЗ, так и особенно в УМЗ состояниях.
ВЫВОДЫ
Углеродистые и нержавеющая стали с УМЗ структурой характеризуются более отрицательными значениями потенциалов в сравнении с их КЗ аналогами. Данная тенденция прослеживается как в 3% растворе №С1, так и в 1М растворе НС1.
Скорости коррозии углеродистых и нержавеющей сталей в УМЗ состоянии выше, чем в КЗ состоянии. Выявленная закономерность обусловлена значительным количеством дефектов и наличием большей протяженности границ зерен, которые являются активными центрами коррозионных разрушений, у образцов с УМЗ структурой по сравнению с образцами с КЗ структурой.
Стали с УМЗ структурой в 5% растворе №С1 ионизируются с большими плотностями тока, чем с КЗ структурой. При поляризации сталей в 5%, 8%, 15% растворах №N03 ионизация сталей с КЗ структурой происходит с большими плотностями тока и при более отрицательных потенциалах, чем сталей с УМЗ структурой. Выявленная тенденция, вероятно, связана с формированием более плотной пассивирующей пленки, сдерживающей процесс анодно-анионной активации, как в КЗ, так и особенно УМЗ состояниях.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Филиппов, Г. А. Коррозионная стойкость стальных трубопроводов / Г. А. Филиппов [и др.] // Технология металлов. 2004. № 2. С. 24-27.
2. Алексанян, А. Ю. Стационарное анодное растворение железа в нейтральных и близких к нейтральным средах / А. Ю. Алексанян, А. Н. Подобаев, И. И. Реформатская // Защита металлов. 2007. Т. 43, № 1. С. 71-74.
3. Валиев, Р. З. Наноструктурные материалы, полученные интенсивной пластической деформацией / Р. З. Валиев, И. В. Александров. М.: Логос, 2000. 272 с.
4. Андриевский, Р. А. Наноструктурные материалы : учеб. пособие для вузов / Р. А. Андриевский, А. В. Рагуля. М. : Издат. Центр «Академия», 2005. 192 с.
ОБ АВТОРАХ
Амирханова Наиля Анваровна, проф., зав. каф. общ. химии. Дипл. химик (КГУ, 1962), канд. хим. наук, д-р техн. наук по технол. элек-трохим. производств (М., ВИАМ, 1985). Иссл. в обл. электрохим. обработки.
Валиев Руслан Зуфарович,
проф., зав. каф. общ. физики., науч. рук. ИФПМ НИЧ. Дипл. инж.-металлург (УПИ, 1971). Д-р физ.-мат. наук (ИМ АН СССР, 1984). Иссл. в обл. объемных наноструктурных материалов.
Разяпова Альбина Фаритовна, асп. каф. общ. химии. Дипл. маг. техн. и технол. по защ. окр. среды (УГАТУ, 2006). Работает над дис. о корроз. поведении и высокоскор. растворении углерод. и нерж. сталей.
Рааб Георгий Иосифович,
зав. лаб. НИЧ ИФПМ при УГАТУ. Дипл. инж.-мех. (УАИ, 1977). Канд. техн. наук по обр. металлов давл. (Челябинск, 2000). Иссл. в обл. ультрамелкозерн. и нанострукт. матер.
