Исследование влияния состава сплавов на скорость газовой коррозии Текст научной статьи по специальности «Технологии материалов»

Список литературы

1. Новые методы исследования состава, строения и свойств мерзлых грунтов. Под ред. Гречищева С.Е., Ершова Э.Д. М. Недра, 1983. 251 с.

2. Цытович Н.А. Механика мерзлых грунтов. М. Высшая школа, 1973. 156 с.

3. ГОСТ 24586-81. Грунты. Методы лабораторного определения характеристик прочности и деформируемости мерзлых грунтов. М. Изд-во стандартов, 1981. 187 с.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СОСТАВА СПЛАВОВ НА СКОРОСТЬ

ГАЗОВОЙ КОРРОЗИИ Бахирев С.О.1, Дацько А.И.2, Носач А.Ю.3, Бычков Д.В.4

'Бахирев Сергей Олегович — студент, направление: технологические машины и оборудование, Нефтехимический институт Омский государственный технический университет; 2Дацько Алина Игоревна — студент;

3Носач Анжелика Юрьевна — студент, направление: материаловедение и технология конструкционных материалов, Машиностроительный институт Омский государственный технический университет;

4Бычков Данил Витальевич — студент, направление: технологические машины и оборудование, Нефтехимический институт, Омский государственный технический университет, г. Омск

Введение.

Вопрос об устойчивости сплавов к высокотемпературному окислению всегда будет актуален, поскольку значительная часть оборудования эксплуатируется при высоких температурах. Причем наблюдается тенденция к росту рабочих температур. В этих условиях процесс газовой коррозии неизбежен, но его можно свести к минимуму выбором рациональных жаростойких сплавов. Уже были проведены множество исследований, экспериментов по выявлению окалиностойких сплавов. Такие сплавы известны, например, стали с добавлением значительного количества хрома, алюминия. Однако, стали не всегда обладают дополнительными важными эксплуатационными характеристиками, такими как высокая (или, наоборот, низкая) теплопроводность, электропроводимость, хладостойкость, жаростойкость, жаропрочность, антифрикционость. Поэтому в промышленности все более применение находят сплавы на основе других металлов - никеля, циркония, ниобия и т.п. Знать, что сплав имеет или не имеет хорошую устойчивость к коррозии, важно, но также практический интерес имеет понимание причин ускорения или замедления скорости окисления.

Причиной газовой коррозии является термодинамическая неустойчивость металлов, т. е. способность металлов самопроизвольно переходить в более устойчивое для них состояние -окисленное.

Основной характеристикой скорости процессов газовой коррозии является массовый показатель, который позволяет оценить изменение массы металла в процессе окисления. Окисление может проявляться, как с уменьшением массы, так и с ее увеличением [1]: _ (т0-т)

Ат ~ 5-т ■

Для исследования скорости газовой коррозии были рассмотрены следующие системы сплавов: Zr-Cr, Та-Ре, №-№. По данным [2] были построены графики зависимости изменения удельной массы сплавов различного процентного содержания легирующего элемента при температурах от 700 до 1200°С (рис. 1-3) при различном времени выдержки.

Рис. 1. Изменение массового показателя коррозии сплавов системы Та-Ре: а — при температуре 800°С, б — при температуре 900°С

а

б

0% 20% 40% 60% 80% 100% 2г -> %Сг Сг

Рис. 2. Изменение массового показателя коррозии сплавов системы 2г-Сг: а — при температуре 700°С, б — при температуре 900°С

Рис. 3. Изменение массового показателя коррозии сплавов системы ЫЪ-Ш: а — при температуре 800°С, б — при температуре 1200°С

На графике Та-Ре с температурой выдержки 900°С видно, что высокая скорость коррозии наблюдается в сплаве, содержащем 98% Та, 2%Ре. С увеличением процентного содержания железа скорость коррозии падает, достигая минимума при 35% Ре. Далее скорость постепенно увеличивается до значения 34,9 мг/см2 при 98% Та в Ре.

Практически такой же характер скорости окисления можно отметить при температуре 800°С, с небольшим отличием - образованием интервала минимальной скорости окисления (30-90% Ее).

В системе 7г-Сгзависимость при 700°С и при 900°С одинакова. Максимума скорость коррозии достигает при составе 50% 7г, 50%Сг.

В сплаве №-№ высокая скорость коррозии прослеживается лишь при малом содержании N1 в сплаве.

По графикам можно сделать вывод, что увеличение длительности выдержки образцов при постоянной температуре вызывает некоторое повышение массового показателя коррозии, но не изменяет характер графиков. Наибольшее значение оказывает повышение температуры и изменение состава.

Факт того, что повышение температуры увеличивает скорость коррозии, очевиден и общеизвестен, т. к. основывается на увеличении скорости диффузии атомов металлов. Оценка влияния состава проводилась на основании анализа двойных диаграмм соответствующих систем.

1. Система Та-Ее.

Тантал - металл, температура плавления которого составляет 3017°С. Известно, [3] что окисление Та активно проявляется выше 700 °С. При этом кислород хорошо растворяется в Та с образованием субоксидов.

Железо - металл, с температурой плавления 1539°С. При окислении при температурах 400°С на поверхности образуются жаростойкие оксиды Ее2О3; повышение температуры свыше 730 °С приводит к образованию и быстрому росту пленки из оксида железа ЕеО, имеющего большое число дефектов кристаллической решетки [4].

Анализ диаграммы [5], [6] состояния сплавов системы Та-Ее (рис.4) показывает, что минимум окисления происходит в сплаве состава с процентным соотношением от 30-40% Ее. Этому составу соответствует эвтектика, состоящая из а-твердого раствора Ее в Та и интерметаллидного соединения ТаЕе.

т, °с 2000 1900 1800 1700 1600 1500 Ш 1300 1200 1100 1000 900 800

О 10 20 30 ЬО

1 V \

\ Ж+Тг \ \

\ \ \ ° /7757

\ 7 \ / V / Ж

а Г -36 \

1 1 V 44 РГ- Л

г 1 /7

1 Vе0 1 * Та5е.,

1 1 /¿7/ -е+а ¡5 £ 1 1215'С I

г 1 ! 7 <-Тп5Рг 9651

1 1 '

1 1 1- V

1 1 | а*/иге. 1

70 80 90

Та

Ре

Рис. 4. Диаграмма состояния Та—Рв

Применяя правило обратных отрезков [7], рассчитано процентное количество фаз в эвтектическом сплаве при температуре 800°С и 900°С. Это соотношение будет примерно одинаково: на а приходится 25%, на ТаЕе - 75%.

2. Система 2г-Сг.

Хром - металл, температура плавления которого составляет 1907°С. Он хорошо противостоит окислению за счет образования на его поверхности прочной оксидной пленки, которая препятствует диффузии кислорода в структуру металла [3].

Цирконий - металл, с температурой плавления 1855°С. При относительно низких температурах 200 - 400°С на поверхности металла образуется пленка диоксида ZrO2, что не дает ему быстро окисляться в газовой среде. Однако когда металл переходит из а в в модификацию, он активно поглощает кислород, что сказывается на скорости окисления [4, с. 290].

29

т. °с

1900

1700

1500

1300

1100

900

7001 О 2г

и

а-2г+у

10 20 30 ¿>0 50 60 70 80 90 100 -— % Сг [г

Сг

Рис. 5. Диаграмма состояния 2т—Ст

Д ля сплавов этой системы при исследуемых температурах «пик» массового показателя коррозии достигает в пределах 50% &. Анализируя диаграмму состояния [5], [6] системы сплавов (рис. 5) можно заметить, что составы при 900°С и 700°С отличаются. При температуре 700°С сплав состоит из чистого металла с полиморфной модификацией a-Zr (с гексагональной решеткой) и твердого у-раствора на базе интерметаллидного соединения ZrCr2. При температуре 900°С сплав вместо a-Zr появляется твердый Р-раствор на базе р-& с объемно центрированной кубической решеткой.

Применяя правило обратных отрезков, рассчитываем содержание фаз в сплаве с процентным содержанием 50% &:

- при температуре 700 °С: на ^приходится 77%, а^г составляет 23%.

- при температуре 900 °С: ^составляет 76%, соответственно на в приходится 24%.

3. Система

Ниобий - металл с температурой плавления 2469°С. При нагреве окисляется до №>2О5. Для этого оксида описано около 10 кристаллических модификаций. При обычном давлении стабильна в-форма №>2О5 с невысокими защитными свойствами [8].

Никель имеет температура плавления 1455°С. Характеризуется высокой коррозионной стойкостью за счет образования на его поверхности плотной оксидной плёнки, обладающей высокими защитными свойствами [3].

Рис. 6. Диаграмма состояния ЫЪ-Ш

Ссылаясь на диаграмму состояния [8], [5] (рис. 6) можно отметить, что в сплаве при температуре 800°С с содержанием 20% N1, сплав состоит из а-твердого раствора и интерметаллидного соединения №№, процентное содержание которого, примерно, составляет - 43%. При температуре 1200°С низкая скорость окисления наблюдается в сплаве 50% N1, состоящего из смеси интерметаллидных соединений №№ и №№3.

Заключение.

Таким образом, можно сделать следующие выводы.

1. Массовый показатель коррозии зависит, как видно из графиков (рис. 1-3), от температуры, чем выше, тем активней окисление металлов и сплавов.

2. Также особую роль занимает в процессах окисление время выдержки. Она значительно влияет на скорость коррозии в сторону роста при увеличении времени выдержки.

3. Значительное влияние оказывает состав сплава. В первую очередь, влияющий на образование оксидных пленок, которые могут быть сплошные или с дефектами, газообразные или отслаивающиеся из-за значительных внутренних напряжений.

Анализ структур сплавов систем, обладающих минимальной скоростью коррозии в области эвтектических сплавов, показал, что увеличение процентного содержания интерметаллидных соединений, вызывает резкое снижение скорости коррозии. В сплавах системы 7г-Сг наличие в структуре значительного количества соединения 7гСг2 приводит, наоборот, к увеличению скорости коррозии. Это может объясняться значительным ростом доли металлической связи при увеличении температуры [9], которая сопровождается увеличением скорости диффузии атомов.

Список литературы

1. Курс общей химии / Э.И. Мингулина, Г.Н. Масленникова, Н.В. Коровин, Э.Л. Филиппов. 2-е изд., перераб. и доп. М.: Высш. шк., 1990. 446 с.

2. Войтович Р.Ф. Высокотемпературное окисление металлов и сплавов: справочник / Р.Ф. Войтович, Э.И. Голевна. Киев: Наукова думка, 1980. 295 с.

3. ГлинкаН.Л. Общая химия / Н.Л. Глинка. 24-е изд. Л.: Химия, 1985. 702 с.

4. Энциклопедический словарь юного химика/ сост. В.А. Крицман, В.В. Станцо. 2-е изд., испр. М. : Педагогика, 1990. 320 с.

5. Барабаш О.М. Структура и свойства металлов и сплавов. Кристалическая структура металлов и сплавов: справочник / О.М. Барабаш, Ю.Н. Коваль. Киев: Наукова думка, 1986. 598 с.

6. Диаграммы состояния двойных металлических систем: справочник в 3-х т. / под ред. И.П. Лякишева. М.: Машиностроение, 1997. Т. 2. 1024 с.

7. Гуляев А.П. Металловедение : учеб. для вузов / А.П. Гуляев. 6-е изд., перераб. и доп. М.: Металлургия, 1986. 544 с. (на стр. 110-112)

8. Диаграммы состояния двойных металлических систем: в 3 т.: / под общ. ред. И.П. Лякишева. М.:Машистроение, 2001. Т. 3, кН. 1. 872 с. (на стр. 523-525).

9. Структура сплавов циркония / О.С. Иванов и др. М.: Наука, 1973. 224 с.