Что такое стабилизация металла

Обновлено: 04.10.2024

Под стабилизацией мы понимаем прекращение всех реакций на металле, приводящих к его разрушению. Реакции растворения металла (коррозия) могут проходить на любых металлических предметах, очищенных и неочищенных, с искусственной и естественной патиной. Задача стабилизации - прекращение активных процессов разрушения без изменения внешнего вида предмета.

Обнаружение активных очагов коррозии. Известно, что нестабильным продуктом коррозии медных сплавов является хлористая медь, которая в результате взаимодействия с металлической медью превращается в основной хлорид меди, минерал атакамит. В результате реакции образуется соляная кислота, которая способствует образованию новой порции хлористой меди и т.д. Реакция может идти до полного разрушения предмета, превращения его в основной хлорид меди светло-зеленого цвета. Реакции происходят при повышенной влажности. На археологических предметах хлористая медь располагается в виде прослоек под слоем красного куприта, в трещинах куприта, в порах и трещинах сохранившегося металла. Большое влияние на активность хлористых соединений оказывает состояние поверхностных слоев продуктов коррозии, главным образом куприта. Если куприт образует сплошной плотный слой, надежно прикрывая активные соли от воздействия атмосферы, хлористая: медь остается в пассивном состоянии. Нарушение монолитности патины приводит к быстрой активации коррозии. Разрушение патины может произойти в результате механических повреждений, химического воздействия, в результате изменения внешних условий, перепадов температуры, влажности, когда могут начаться процессы перекристаллизации солей меди в коррозионном слое. Такое явление часто встречается при поступлении в музей предметов из археологических раскопок. При неполном удалении продуктов коррозии из пор и трещин металла из углублений рельефа при подходящих условиях может развиться бронзовая болезнь. При удалении поверхностных рыхлых продуктов коррозии и сохранении патины в процессе механической очистки может быть поврежден плотный изолирующий слой и обнажены очаги хлористой меди, которые в определенный момент начнут активно развиваться. Консервация предмета лишь замедляет развитие очагов активной коррозии, но не прекращает реакции, происходящие в металле.

Для выявления очагов хлористой меди применяют влажную камеру. Она может быть сделана из эксикатора с притертой крышкой. На дно эксикатора наливается вода, предмет кладется на керамический диск с отверстиями или медную сетку. Под крышкой создается 100%-ная влажность, которая провоцирует развитие хлоридной коррозии. После суточной выдержки во влажной камере, на месте очага хлористой меди появляется окрашенная солями меди капля влаги. При более длительной выдержке могут появиться рыхлые светло-зеленые выцветы. Выдерживать более 48 часов не имеет смысла и, более того, вредно для предмета, т.к. создаются условия для развития коррозионного процесса на здоровой поверхности. Проверять наличие активных хлоридов необходимо каждый раз после очистки предмета, В случае, если выдержка во влажной камере показала наличие активных очагов, обработку необходимо продолжать. Способы нейтрализации и удаления активных очагов коррозии.

Наиболее надежно хлористые соединения устраняются при полной очистке предметов из медных сплавов химическим, электрохимическим или электролитическим методами, позволяющими извлечь минеральные, соединения из всех пор, трещин и полостей. При электролитической обработке вместе с продуктами коррозии происходит перемещение отрицательно заряженных ионов хлора из катодного пространства в анодное, т.е. от предмета к положительно заряженному вспомогательному электроду-аноду. Чем длительнее идет процесс, тем полнее освобождение от хлоридов. Глубокая промывка также используется для удаления растворимых хлоридов. Этот способ чрезвычайно длительный - время промывки при контроле наличия хлоридов в промывочной воде азотнокислым серебром может достигать нескольких месяцев. Однако надо помнить, что до сих пор еще нет метода, который позволил бы полностью удалить хлориды, не рискуя при этом разрушить минерализованный металл археологических предметов.

Метод замены хлорида меди растворимым хлоридом алюминия (метод Роземберга).

Этот метод чрезвычайно прост и доступен. Отдельные участки активной коррозии, выявленные во влажной камере, или весь предмет покрывают желеобразной массой, приготовленной из желатина, воды и глицерина. Желатин на несколько часов замачивают в холодной воде. Затем при помешивании нагревают, не доводя до кипения, добавляют 5% глицерина и покрывают этой смесью предмет или отдельные участки. Толщина наложенного слоя должна быть 2-3 мм. Затем предмет осторожно обертывают алюминиевой фольгой и помещают во влажную камеру. Через несколько часов на участках, пораженных хлоридами, алюминиевая фольга оказывается растворенной, а хлориды меди замещаются хлоридами алюминия. Алюминий как бы вытянул их из глубины на поверхность. Не удаляя фольги, предмет прополаскивают, мягкой щеточкой вычищают в местах перфорации фольги хлорид алюминия и на это место снова накладывают смесь и прикрывают листочком фольга. Время от времени следует полностью освобождать предмет от алюминия и слоя желатина, счищая их щеткой под струей очень горячей воды, чтобы растворить смесь. Такую обработку проводят до тех пор, пока алюминий не перестанет растворяться.

Длительность обработки зависит от количества хлористых соединений на предаете. Такая обработка не влияет на стабильные продукты коррозии, их цвет не меняется, а там, где была хлористая медь, образуется черное студенистое вещество хлорида алюминия, которое легко удаляется промывкой. После промывки видно, что на этих местах образовался осадок восстановленной меди. Такая медь легко счищается механически.

Термическая стабилизация

Под стабилизацией исходной фазы понимают затруднение ее превращения в мартенсит в результате теплового (термическая стабилизация), механического (механическая стабилизация) или любого другого воздействия.

Термическая стабилизация аустенита, которую обычно называют просто стабилизацией, наблюдается при временной остановке охлаждения железного сплава в мартенситном интервале атермического превращения. Если прервать охлаждение при температуре Т_п < М_н (но выше М_к) и сделать здесь выдержку, то аустенит стабилизируется.

Стабилизация проявляется в том, что по возобновлении охлаждения превращение начинается не сразу при температуре Т_п, а после переохлаждения аустенита (гистерезиса) до некоторой температуры М_н.

При этом мартенсита часто образуется меньше по сравнению с непрерывным охлаждением (мартенситная кривая 2 на рисунке идет ниже кривой 1) и количество остаточного аустенита возрастает. Возобновляющееся при температуре М_н мартенситное превращение может протекать взрывообразно (например, в сплавах Fe — Ni — С).

Мартенситные кривые при разной стабилизации аустенита

Мартенситные кривые при разной стабилизации аустенита:

Т — температура, при которой охлаждение прерывают и проводят выдержку;
1 — кривая непрерывного охлаждения;
2 и 3 — кривые, соответствующие разной выдержке (τ) при температуре Т_п, причем τ₃ > τ₂.

Наиболее простой случай термической обработки, включающей стабилизацию аустенита, можно наблюдать, когда точка М_н находится выше, а М_к — ниже комнатной температуры причем Т_п = 2:0 °С.

Так, выдержка углеродистой стали при комнатной температуре после обычной закалки в воде стабилизирует аустенит, затрудняя мартенситное превращение при последующем охлаждении стали в области отрицательных температур и увеличивая количество остаточного аустенита после такой обработки. Поэтому изучение закономерностей термической стабилизации аустенита представляет интерес для технологии обработки стали холодом (смотрите Нагрев и охлаждение при закалке сталей).

Мерой эффекта стабилизации часто служит температурный гистерезис θ = Т_п — М_н.

Степень стабилизации аустенита зависит от температуры прерывания охлаждения Т_п и выдержки при этой температуре. Если же после прерывания охлаждения сплав был нагрет до некоторой температуры Т_с > Т_п, то степень стабилизации θ зависит от Т_с и времени выдержки при этой температуре.

С понижением т. е. с ростом количества мартенсита, присутствующего при стабилизирующей выдержке, степень стабилизации возрастает. Более сложно влияние времени выдержки. С увеличением времени выдержки при температуре Т_п или Т_с степень стабилизации может непрерывно возрастать (кривые 2 и 3 на рисунке). При достаточно высоких температурах увеличение времени выдержки сначала приводит к росту, а затем к уменьшению степени стабилизации. Чем выше температура Т_с, тем быстрее достигается максимум θ.

На стали с 1,4% С и 5% Ni было обнаружено, что величина θ с увеличением времени выдержки при температуре Т_с после прохождения через максимум снижалась и становилась отрицательной. Это означает, что большие выдержки после прерывания охлаждения приводили не к стабилизации (М_н < Т_п), а к противоположному эффекту — активированию мартенситного превращения (М_н > Т_п).

Термическая стабилизация аустенита — сложный процесс. Вполне возможно, что в разных случаях, например в разных температурных интервалах, действуют разные механизмы стабилизации.

В термическую стабилизацию при температурах ниже точки М_н определенный вклад может внести релаксация упругих напряжений в аустенитной матрице вокруг мартенситных пластин. Эти напряжения, как уже отмечалось, вызывают автокаталитический эффект, свойственный всем мартенситным превращениям.

Уменьшение упругих напряжений вокруг мартенситных кристаллов хорошо объясняет повышение степени стабилизации с увеличением времени выдержки, но не может объяснить снижения θ при больших выдержках.

Для понимания природы стабилизации аустенита весьма важно, что термическая стабилизация наблюдается только в тех сплавах на основе железа, которые содержат, хотя бы и в сравнительно небольшом количестве, элементы внедрения: углерод и азот. Поэтому почти все современные гипотезы механизма термической стабилизации аустенита исходят из предположения о решающей роли сегрегации атомов углерода или азота.

Атомы элементов внедрения во время стабилизирующей выдержки могут сегрегировать в потенциальные участки зарождения в аустените, препятствуя превращению этих участков в зародыши мартенсита. Они могут сегрегировать на межфазную границу матрицы и зародыша, препятствуя его росту.

Весьма убедительна гипотеза, связывающая термическую стабилизацию с деформационным старением — образованием сегрегаций из внедренных атомов на дислокациях в аустените. Так как образование мартенситного кристалла вызывает пластическую деформацию аустенитной матрицы, то упрочнение ее при деформационном старении затрудняет мартенситное превращение.

Развитие деформационного старения аустенита с увеличением времени выдержки при температуре Т_с объясняет рост θ. Уменьшение эффекта стабилизации с дальнейшим увеличением времени выдержки легко объяснить перестариванием (смотрите Выбор режима старения), с которым связано падение предела текучести аустенита.

Достижение отрицательных значений 0 можно связать с далеко зашедшим перестариванием, которое, во-первых, сильно разупрочняет аустенит и, во-вторых, может привести к обеднению аустенита углеродом вблизи выделений карбида. Такие обедненные углеродом участки имеют повышенную температуру М_н. С повышением температуры Т_с деформационное старение ускоряется и соответственно ускоряется достижение максимума θ.

Рассмотренное в Термодинамике мартенситных превращений, снижение температуры М_н при переходе от чрезвычайно больших скоростей охлаждения выше этой температуры к обычным скоростям закалки в воде также является результатом стабилизации аустенита из-за предполагаемого закрепления дислокаций сегрегациями атомов углерода.

Термическая стабилизация проявляется при мартенситном превращении не только в железных, но и в других сплавах. Так, в сплаве меди с 15% (ат.) Sn, закаленном в воде, при охлаждении в жидком азоте развивается атермическое превращение. Если после закалки в воде сделать выдержку при комнатной температуре, то при последующем охлаждении точка М_н и количество образовавшегося мартенсита оказываются пониженными и в тем большей степени, чем дольше была выдержка.

Четырехдневная выдержка полностью подавляет мартенситное превращение. Одной из причин этой термической стабилизации может быть постепенно развивающаяся при комнатной температуре сегрегация атомов олова в исходной фазе, затрудняющая образование и рост зародышей мартенсита.

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Стабилизированные стали также следует применять в тех случаях, когда наряду с коррозионной стойкостью предъявляются требования по прочности, так как низкоуглеродистые стали имеют более низкую прочность, чем стабилизированные стали. [1]

Стабилизированные стали и сплавы ( содержащие титан или ниобий) и нестабилизированные стали и сплавы с содержанием углерода не более 0 03 %, следует испытывать на образцах после термической обработки по режимам, указанным в нормативно-технической документации на продукцию, и дополнительного провоцирующего нагрева, который может вызвать склонность стали или сплава к межкристаллитной коррозии. [2]

Стабилизированные стали или сплавы, предназначенные для изделий, работающих при температуре выше 350 С, допускается испытывать на образцах, температура провоцирующего нагрева и время выдержки которых устанавливаются в нормативно-технической документации. [3]

Стабилизированные стали различных марок имеют широкое распространение. К их преимуществам относятся отсутствие выпадения карбидов при на-грево до критической температуры и более высокий предел текучести при высоких и при низких температурах. [4]

Поскольку стабилизированные стали используются не только в средах, воздействие которых может быть охарактеризовано стандартным испытанием, но и в азотной кислоте, в этой главе будут рассмотрены результаты испытаний, полученные обоими методами. [5]

Для стабилизированных сталей после отжига допускаются значительно меньшие скорости охлаждения. [6]

У стабилизированных сталей ( 1Х18Н9Т, Х18Н11Б) выпадение карбидов после резки не происходит независимо от скорости резки. [7]

У стабилизированных сталей стабилизирующий отжиг при 870 С в течение 2 ч значительно ограничивает область склонности к межкристаллитной коррозии, которой они обладают при степени стабилизации меньше критической ( см. гл. Конечно, стабилизирующий отжиг сказывается благоприятно и в случае нестабилизированных сталей, хотя в гораздо меньшей степени. [8]

Стойкость стабилизированных сталей против межкристаллитной коррозии может быть дополнительно повышена стабилизирующим отжигом ( рис. 65, Ь, см. также гл. [9]

В стабилизированных сталях отжиг преследует цель перевести углерод из карбидов хрома в специальные карбиды титана или ниобия, высвободив таким образом хром, необходимый для создания определенного уровня коррозионной стойкости. Обычно температуру отжига выбирают в зоне наиболее активного выделения специальных карбидов, что на практике составляет 850 - 950 С. [10]

В стабилизированных сталях 12Х18Н10Т и 08Х18Н12Б помимо кубического карбида хрома образуется также кубический карбид типа МеС ( TiC, NbC), в котором до 30 % атомов, например титана, могут быть замещены атомами хрома, в результате чего может образоваться сложный карбид типа ( TiCr) С. [11]

В стабилизированных сталях высокотемпературный сварочный нагрев при растворении исходных карбидных частиц вызывает рост зерен и образование на их границах высокотемпературных сегрегации углерода. Выпадение карбидов типа ( Сг, Р) 2зС6 вызывает обеднение хромом металла, прилегающего к частицам, и, соответственно, коррозию. Повторный нагрев такого металла при наличии высокотемпературных сегрегации при температурах 450 - 750 С при многослойной сварка и отжиге приводит к еще более активному кар видообразованию и усилению коррозии. [12]

В стабилизированных сталях элементы-стабилизаторы тормозят диффузию хрома, горофильны по отношению к железным сплавам и обладают большим сродством с углеродом и большей диффузионной подвижностью при высоких температурах, чем хром и железо. При высокотемпературном нагреве они вместе с углеродом активно адсорбируются на границах зерен, а при охлаждении в диапазоне температур 1000 - 750 С образуют крупные дендритные карбиды, расходуя основную массу углерода за очень короткое время, исчисляемое микросекундами. В температурных условиях околошовной зоны сварных соединений карбиды хрома за такое время, так же как и в нестабилизированных аустенитных сталях, возникнуть не успевают. [13]

Итак, стабилизированные стали должны содержать достаточное по отношению к углероду количество карбидобразующего элемента ( достаточная стабилизация), который должен связать углерод в специальные карбиды и этим сделать невозможным выпадение карбидов хрома. В этом случае стали ведут себя приблизительно так, как если бы они почти совсем не содержали углерода. Изделия, изготовленные с применением сварки из правильно стабилизированных сталей [226, 244], оказываются и без последующего отжига стойкими к меж-кристаллитной коррозии в зонах, подвергшихся термическому влиянию. Однако, при более длительных выдержках в условиях критических температур и стабилизированные таким образом стали становятся также в различной мере склонными к межкристаллитной коррозии в зависимости от степени стабилизации. Действительно, ранее было установлено, что растворяющий отжиг при температуре 1150 С уже может оказать влияние на стойкость стали с более низким содержанием титана и ниобия. При этой температуре еще не может произойти значительный рост зерна, поэтому увеличение количества карбидов хрома, выделяющихся по границам зерен в зоне термического влияния сварного соединения, нельзя в этом случае объяснить только уменьшением всей поверхности границ за счет роста зерна. Точно так же гипотеза о значительной поверхностной активности углерода по отношению к хромоникелевому аусте-ниту, основанная на современных представлениях о роли поверхностных слоев кристаллов твердого раствора при термообработке поликристаллических веществ и очень хорошо описывающая распределение углерода в аустените, не объясняет процесс освобождения связанного в специальном карбиде углерода во время растворяющего отжига при высоких температурах. Чтобы в поверхностных слоях аустенитных зерен могла повыситься концентрация углерода, прежде всего должна произойти диссоциация присутствующих в структуре карбидов титана, ниобия или тантала, а для этого углерод и карбидобразующий элемент должны перейти в твердый раствор. [14]

Однако использование стабилизированных сталей оказывается необходимым в любом случае, в том числе и для плакированного листа, если сосуд подвергается термообработке после сварки в обычном интервале температур, поскольку при этом в нестаби-лизированной стали с 18 % Сг и 8 % Ni происходит выделение карбидов. [15]

Стабилизирующий отжиг применяют для тех же сталей с целью снижения сварочных напряжений на 70 - 80 %, обеспечения стабильной структуры и предупреждения появления коррозионных трещин. Улучшение относится к полной термической обработке и производится в стационарных термических печах. Оно снижает остаточные сварочные напряжения и полностью восстанавливает структуру и свойства металла, изменившиеся от сварки. [2]

Стабилизирующий отжиг препятствует появлению склонности к межкристаллитной коррозии после сенсибилизации, но все же не обеспечивает достаточную стойкость в азотной кислоте. Из этого можно сделать вывод, что стабилизирующий отжиг устраняет склонность к межкристаллитной коррозии только карбидного типа. [3]

Стабилизирующий отжиг повышает также стойкость наплавленного металла шва к межкристаллитной коррозии. Швы, подвергшиеся стабилизирующему отжигу, могут иметь в наплавленном металле от 0 08 до 0 09 % С, не проявляя склонности к межкристаллитной коррозии. Особенно благоприятное влияние оказывает стабилизирующий отжиг на сварные швы, содержащие определенное количество титана, при автоматической сварке. [4]

Стабилизирующий отжиг частично устраняет склонность высоколегированных модифицированных и стабилизированных сталей к межкристаллитной коррозии в 70 % H2S04 при 100 С. Однако такая термообработка часто ведет к образованию а-фазы, влияние которой на коррозионное поведение сталей этого типа пока еще полностью не выяснено. [6]

Стабилизирующий отжиг ( 900 - 1000 С) после МТО приводит к снижению уровня упрочнения за счет развивающихся процессов рекристаллизации. [8]

Стабилизирующий отжиг имеет цель стабилизацию вообще или дополнительную стабилизацию стали с карби-дообразующими элементами для сварных конструкций. [9]

Стабилизирующий отжиг широко применяется для лопаток турбин ГТД с целью снятия напряжений, возникающих на поверхности деталей при механической обработке. Этот отжиг проводят на готовых деталях при температурах, близких к эксплуатационным. Аналогичная обработка была опробована на титановых сплавах, применяемых для лопаток компрессора. [10]

Стабилизирующий отжиг имеет значительный резерв применения. Дело в том, что для сварных изделий может проводиться местный стабилизирующий отжиг замыкающего шва, если все свариваемые элементы были подвергнуты стабилизирующему отжигу до сварки. При этом следует обеспечить равномерный нагрев всего шва и прилегающего к нему основного металла на ширину не менее 200 мм. Это может быть достигнуто с помощью индукционного нагрева токами промышленной частоты или инфракрасными нагревателями. [11]

Стабилизирующий отжиг при 900 С с охлаждением в печи почти полиостью снимает остаточные напряжения даже в изделиях сложной формы. [12]

Стабилизирующий отжиг снимает напряжения, а это ведет к снижению прочности. [13]

Стабилизирующий отжиг аустенитных сталей , содержащих сильные карбидообразующие элементы, заключается в выдержке стали в течение 2 - 3 ч при 850 - 900 С и охлаждении на воздухе. [14]

Стабилизирующим отжигом называется особый вид термической обработки листовой стали или готовых изделий, при котором в металле достаточно быстро проходят диффузионные процессы, выравнивающие содержание хрома по сечению зерна и приводящие структуру стали в стабильное состояние. Наблюдаемое при этом выделение карбидов хрома по границам зерен не может повлечь за собой ( при благоприятных условиях) возникновение склонности к межкристаллитной коррозии или снижение сопротивляемости общей коррозии, поскольку при этом режиме термической обработки диффузионные процессы в стали Х18Н9, выравнивающие концентрацию хрома в зерне, идут с большой скоростью и обеднение границ зерен по содержанию хрома практически не происходит. Стабилизирующий отжиг осуществляется путем нагрева стали до температуры 850 - 900 С с выдержкой, достаточной для того, чтобы процессы распада твердого раствора аустенита и выравнивание концентраций хрома по сечению зерна были полностью закончены. Обычно выдержка 3 - 5 ч является достаточной для завершения этих процессов. [15]

Стабилизация металла

После того как металл прошел стадию очистки от коррозии, то есть были полностью удалены рыхлые слои коррозии, нужно стабилизировать металл. Стабилизация металла предполагает собой проведение таких процедур, благодаря которым ржавчина переходит из активного состояния в не активное Благодаря стабилизации возможность дальнейших рецидивовочагов коррозии сводиться к минимуму.

В реставрационных мастерских для стабилизации металла принято использовать танин. Он очень хорошо зарекомендовал себя. Используется спиртовой раствор танина. Приготовить танин можно приблизительно в следующих соотношениях. В одном литре дистиллированной воды разводят двести грамм танина, затем ставят все это на водяную баню до полного растворения. По завершении процедуры растворения танина в раствор добавляют сто миллиграмм этилового спирта. Благодаря наличию спирта, раствор более глубоко проникает в поры и быстро испаряется, удаляя находящуюся в растворе влагу, которая, как известно не желательна для металла. Проводить обработку металла танином нужно несколько раз. Наносим раствор танина с помощью щетинной кисти круговыми движениями, нужно стараться, как бы втереть его. После нанесения танина, излишки раствора нужно убрать мягкой ветошью и оставить предмет на сутки. По истечении суток нужно повторить процедуру с самого начала. Нужно избегать высыхания излишков танина на предмете, так как это приводит к образованию фиолетовых разводов. Если предмет после обработки тщательно вытирать от излишков раствора, то фиолетовых пятен удастся избежать.

По завершении процедуры стабилизации металла, предмет проходит стандартную для реставрации процедуру консервации. При консервации металла применяют синтетический воск, который растворяют в небольшом количестве Уайт-спирита.

Чтобы проверить насколько правильно и результативно была проведена процедура стабилизации металла, нужно поместить обработанный предмет во влажную камеру. В бытовых условиях влажной камерой может служить обычная кастрюля, в которую наливают немного воды и ставят небольшой постамент, на который кладут предмет и затем накрывают крышкой. Если спустя несколько суток на предмете появились небольшие очаги коррозии, значит, процедура стабилизации не была выполнена успешно, и нужно повторить все мероприятия заново. В случае же успеха предмет будет абсолютно чистым, то есть на нем не будет очагов коррозии, в таком случае процедура реставрации выполнена успешно.

Читайте также: