Кислотостойкие металлы и сплавы

Обновлено: 02.07.2024

В производстве синтетических неметаллических материалов, удобрений, других химических продуктов для деталей машин и аппаратуры применяют более легированные стали и сплавы называемые кислотостойкими. Увеличение стойкости в кислотах дает присадка молибдена с медью при одновременном увеличении содержания никеля (06ХН28МДТ). Наибольшей кислотостойкостью обладает сплав хастеллой типа 80% Ni + 20% Mo. Сплавы данного типа имеют минимальное содержание углерода, вызывающего межкристаллитную коррозию. Сплав хастеллой может работать в 30% серной кислоте. При больших концентрациях и повышенных температурах работают лишь металлы молибден, ниобий, тантал и конструкционная керамика.

Магнитные стали и сплавы разделяются на две группы: магнитнотвердые и магнитномягкие. Первые характеризуются большим значением коэрцетивной силы (Нс) и применяются для постоянных магнитов, вторые обладают низким значением Нс и малыми потерями на гистерезис (перемагничивание), применяются для сердечников трансформаторов и магнитопроводов. Природу магнитных явлений объясняет теория доменов.

Магнитнотвердые стали и сплавы разделяют:

- углеродистые стали. У10 - У12, которые после закалки имеют Нс = 60 . 65 Э.

- хромистые стали. (1% С и 1,5 . 3% Cr). Приблизительно те же свойства.

- кобальтовые стали (легированные дополнительно 15% Со). Нс = 100 . 170 Э.

- сплавы Fe-Ni-Al (11-14% Al, 22-34 Ni, ост. Fe) - альнико или ЮНДК. Нс = 400 . 500 Э. Сплавы альнико изготавливают методами порошковой металлургии. Высокие магнитные свойства получают, используя дисперсионнотвердеющие системы сплавов типа Fe-V-Co, Fe-Mo-Co. Однако кобальт и молибден являются остродефицитными металлами. Среди магнитных сталей широкое распространение получили марки ЕХ3, ЕВ6, ЕХ5К5, ЕХ9К15М2 ГОСТ 6862-71.

Магнитномягкие материалы разделяются на:

- техническое железо (очищенное от углерода и примесей). Нс = 0.01 . 1 Э.

- электротехническая сталь. Здесь высокая магнитная проницаемость и низкая Нс обеспечена легированием Si до 3% и специальной прокаткой и рекристаллизационными отжигами, позволяющими получить крупное ферритное зерно. Прокатка т.ж. создает текстуру (ориентирует зерна в направлении максимальной магнитной проницаемости). Текстурованная сталь называется трансформаторной, а нетекстурованная - динамной. В динамной стали нет анизотропии свойств и ее применяют для изготовления деталей электродвигателей переменного тока. Марки электротехнических сталей Э11, Э12 .. Э1200 ГОСТ 21473-75. Первая цифра - содержание кремния, вторая уровень электротехнических свойств, “00“ - холоднокатанная слаботекстурованная.

- железоникелевые сплавы (пермалои) Ni около 78,5%. Они имеют исключительно высокую начальную магнитную проницаемость, в 10 раз больше чистого Fe, что позволяет их использовать для работы в очень слабых магнитных полях (радио, телеметрия и т.п.). Кроме пермалоев применяют гайперники - 45-50% Ni. Их преимущество в том, что они не требуют высокотемпературного нагрева в среде водорода, хотя уступают пермалоям.

К магнитномягким материалам принадлежат: альсиферы (Al-Si-Fe), перминвары (Ni-Co), термалой (легирование до 30% Cu), порошковые сплавы Fe-P, Fe-Si.

Магнитомягкие материалы изготавливаются преимущественно порошковой металлургией.

Особую группу образуют немагнитные стали, которые заменяют цветные металлы и обладают высокой конструкционной прочностью 55Г9Н9Х3 и 45Г17Ю3 (аустенитная структура).

Электротехнические сплавы

Кроме магнитных материалов в технике применяют электротехнические сплавы. Они разделяются на сплавы с минимальным (проводники) и максимальным удельным электрическим сопротивлением (реостатные). Для проводников применяют чистые медь (бескислородные марки М0, М1 ГОСТ 859 - 78) и алюминий (техническая чистота А1 . А6 ГОСТ 11069 - 74). Для особых случаев серебро или золото, как правило, в виде покрытия на проводниках из меди. Для изготовления сплавов с высоким омическим сопротивлением используют системы сплавов, образующих твердые растворы. Обычно это нихромы Х20Н80, Х15Н60 и фехраль Х13Ю4.

Кислотостойкие металлы и сплавы

Для производства синтетических неметаллических материалов (пластмассы, стеклопластики, стекловолокно и т. д.), удобрений, а также других химических продуктов аппаратура, установки и машины работают в агрессивных кислотных средах, чаще в серной, соляной, азотной или фосфорной кислотах и их смесях разной концентрации и при разных температурах.

Рассмотренные в предыдущем параграфе нержавеющие стали оказываются недостаточно стойкими в перечисленных средах и других средах высокой агрессивности.

Для эксплуатации в этих средах следует применять более легированные стали и сплавы, называемые кислотостойкими.

Увеличение стойкости в кислотах (общая коррозия) дает присадка в аустенитные стали молибдена и особенно молибдена с медью при

одновременном увеличении содержания никеля (стали типа см. табл. 76).

При необходимости иметь и высокую кислотостойкость (на уровне стали и высокие механические свойства рекомендуется к применению сплав Последние два элемента вызывают интерметаллидное упрочнение [выделение дисперсных фаз типа

Более высокую коррозионную стойкость имеют никелевые сплавы, так называемый хастеллой типа (их еще иногда называют сплавами с дополнительным легированием.

Наиболее высокой стойкостью в кислотах обладают тугоплавкие металлы (молибден, ниобий, тантал).

Сравнительные данные о коррозионной стойкости перечисленных сплавов и тугоплавких металлов приведены на рис. 353.

Рис. 353. Склонность к коррозии различных металлов в кипящей серной кислоте

Рассмотрим коррозионную стойкость разных сплавов в различных средах.

Серная кислота. При комнатной температуре высокой стойкостью в этой кислоте обладают все аустенитные нержавеющие стали (хромистые типа нестойки). Примерно при аустенитные хромоникелевые стали нестойки даже в кислотах слабой концентрации, но примерно до могут работать аустенитные стали с добавлением молибдена и меди (стали , см. табл. 76). В кипящей серной кислоте до концентрации примерно все стали, в том числе и сталь нестойки. В этих случаях следует применять сплавы типа хастеллой, а при концентрации от до в кипящей серной кислоте могут работать лишь тугоплавкие металлы (рис. 353).

Фосфорная кислота. При комнатной температуре любой концентрации аустенитные стали устойчивы, хромистые нет.

В горячей ( фосфорной кислоте устойчивы лишь сталь (до концентрации 5 %), в кипящей — лишь хастеллой (до концентрации а при более высокой устойчивы лишь тугоплавкие металлы.

Соляная кислота. При комнатной температуре устойчива только сталь но лишь в разбавленной кислоте (

В кипящей кислоте концентрацией до может работать сплав хастеллой и до любой концентрации — тугоплавкие металлы.

Состав некоторых сплавов типа хастеллой приведен в табл. 79.

Таблица 79. (см. скан) Химический состав сплавов типа хастеллой, %

Все сплавы хастеллой содержат дополнительно легированы кобальтом, иногда и другими элементами. Эти сплавы должны иметь минимальное содержание углерода, так как он вызывает межкристаллитную коррозию и в этих сплавах, причем других средств борьбы с коррозией в этих сплавах, кроме снижения в них содержания углерода, нет. Вредное влияние оказывает загрязнение сплавов железом и кремнием Свистунова).

Кроме высоких коррозионных свойств, сплавы хастеллой обладают и высокими механическими свойствами при высокой прочности, что делает их ценным конструкционным материалом.

Кислотоустойчивые стали: описание, характеристики и применение

Современная промышленность невозможна без «большой химии», к которой относится, в том числе, и производство кислот, выступающих не только в качестве конечных продуктов, но и различных полуфабрикатов. А полуфабрикаты необходимо: во-первых транспортировать, а во-вторых использовать в других технологических процессах (частенько идущих при высоких температурах и давлениях). В общем, для работы индустрии необходимы такие сорта стали, которые могут выдерживать и соприкосновение с кислотами.

Между тем всем известно, что главным недостатком железа является как раз его подверженность коррозии (особенно коррозии «кислой»). Поэтому производство таких стальных сплавов, которые были бы минимально подвержены ржавлению и кислотной коррозии является одной из важнейших задач современной металлургии.

В том, что касается обычной, «воздушной» коррозии, то рецепт не подверженной ей стали в 1913 году методом проб и ошибок обнаружил английский металлург-самоучка Гарри Брирли. Накануне первой мировой войны английские сталелитейные компании занялись исследованиями в области сплавов, которые могли бы использоваться при производстве ружейных и орудийных стволов.

Тогдашний уровень материаловедения был невысок, поэтому исследования велись «на авось», а результаты неудачных опытов просто сваливались на где-то на заднем дворе, где должны были ржаветь в ожидании переплавки.

В дальнейшем выяснилось, что секрет нержавейки связан с присутствием в ее составе хрома: этот металл при соприкосновении с воздухом образует прочную и прозрачную оксидную пленку Cr2O3 которая не растворяется в воде.

Однако этот технологический прорыв был еще только половиной дела.

Во-первых, далеко не всем видам стали приходится работать в среде с присутствием кислорода, а там где нет кислорода, там и слой оксида хрома будет образовываться медленно или может разрушаться.

Во-вторых, разные кислоты взаимодействуют с металлами по-разному.

По действию на сплавы различают кислоты не-окислительного характера (растворы соляной Нсl и серной Н₂SO₄ кислот) и окислительного характера (например, азотная кислота НNO₃).

Разницу во взаимодействии кислот с металлами объясняет их ионный состав. Если при взаимодействии металла с анионом кислоты образуются нерастворимые вещества, то кислотостойкость будет высокой. Свинец проявляет высокую стойкость к серной кислоте Н₂SO₄, магния – к растворам фтористой кислоты HF, железо – к фосфорнокислым растворам.

При этом кислотосойкость одного из компонентов сплава будет увеличивать устойчивость всего материала, следовательно для разных типов кислот потребуются стали разных составов, а именно:

Ферритная сталь

Она содержит малое (менее 0,1%) количество углерода и до 20-30% хрома.

Стали ферритных марок (12X17, 08X17Т, 15Х25Т и др.) проявляют устойчивость к азотной кислоте, водным растворам аммиака и аммиачной селитры. Добавки молибдена делают сталь 12Х17М2Т устойчивой и к органическим кислотам, таким как муравьиная и уксусная. Чтобы избежать межкристаллической коррозии в них добавляют карбидообразующие элементы – титан (в количестве не менее, чем в пропорции 5:1 углероду) или ниобий (10:1 к углероду).

Аустенитная сталь

Содержит среднее количество углерода, имеют в своем составе хром (15-25%) никель ( 6-12%) и молибден (0,5-1%). При 15-25 градусах все виды аустенитной устойчивы к серной и фосфорной кислотам. Но при температуре в 70 градусов хромоникелевые стали становятся нестойкими даже к кислотам слабой концентрации – только аустенитные стали с добавлением молибдена и меди могут выдерживать до 5 % раствора серной кислоты H2SО4.

Только сталь ЭИ943 – она же 06ХН28МДТ (0,06% С; 22-25% Сr; 26— 29% Ni; 2,5-3% Мо; 2,5-3,5% Сu и 0,5-0,3% Ti) может использоваться для хранения разбавленной серной кислоты.

Никель – металл достаточно дорогостоящий, поэтому разработаны стали в которых используются и другие аустенито-образующие элементы, такие как марганец или азот (стали 10Х14Г14Н4Т, 15Х17АГ14, 10Х14АГ15 и др.).

Особой популярностью среди аустенитных сплавов пользуется кислотостойкая сталь А4. В ее составе присутствует 2-3% молибдена – но этого достаточно для того, чтобы придать ей устойчивость в кислых средах и морской воде.

Мартенситная сталь

Это нержавеющий сплав с максимально возможной прочностью, В таких сплавах содержится значительное (до 1%) количество углерода, который формирует специфическую микрокристаллическую структуру. Мартенситные стали 20X13, 30X13 и 40X13 содержат в среднем около 13% хрома, они спокойно переносят соприкосновение со слабыми растворами органических кислот и их солей.

В последнее время все чаще применяются сплавы титана с палладием (0,2 %) и молибденом (30-35%). Титан обычно нестоек в кислотых средах, но в не-окислительных кислотах его сплавы титана проявляют высокую стойкость. Особенно это относится к сплаву марки 4201. Он устойчив даже в горячих сернокислых и солянокислых растворах, а разрушается только в очень концентрированных кислотах. Но в азотной и окислительных кислотах сплав 4201 устойчив только при низких температурах и слабых концентрациях.

4.13. Защита металлических материалов от коррозии в растворах кислот

Для защиты металлических материалов от коррозии в растворах кислот используется ряд способов.

1.Применение кислотостойких металлов и сплавов.

-термодинамически устойчивые металлы, например платина и медь в растворах
H2SO4и HCl;

-пассивирующиеся сплавы;

к пассивирующимся в растворах кислототносятся:

углеродистые и низколегированные стали, пассивирующиеся в 50…60% - ном растворе азотной кислоты;
хромистые стали, которые по уровню коррозионной стойкости делятся на три основные группы, содержащие 13,17 и 25…28% хрома;
стали, содержащие 13% хрома, обладающие устойчивостью в слабых растворах кислот. Это стали мартенситного класса (20Х13, 30Х13, 40Х13); их термическая обработка – закалка и низкий (≤ 450єС) отпуск;
стали, содержащие 17% хрома (12Х17, 08Х17, 08Х18Т1) и устойчивые в 65% - ной азотной кислоте до 50°С; это стали ферритного класса.
стали с повышенным до 25…28% хрома , имеющие более широкий температурный интервал в области малых и средних концентраций растворов кислот (ферритный класс); недостаток ферритных сталей (15Х25Т, 15Х28, 15Х28Т) – повышенная хладноломкость и склонность к росту ферритного зерна даже при относительно кратковременном нагреве выше 850…900єС; присутствие углерода и азота в составе сталей – причина возникновения межкристаллитной коррозии;
хромоникелевые стали, содержащие ~ 18% хрома и 10% никеля и известные в мировой практике как стали типа 18 - 10: 12Х18Н9, 12Х18Н10Т, 08Х18Н12Б и др; это стали аустенитного класса (титан и ниобий вводятся для снижения склонности аустенитных к межкристаллитной коррозии). Эти стали, пассивируясь, приобретают высокую коррозионную устойчивость в 65 - и 80 % - ной азотной кислоте при температурах 85 и 65°С соответственно; в 100% - ной серной кислоте до 70єС; в смеси азотной и серной кислот (25% HNO3 + 70% H2SO4; 10% HNO3 +60% H2SO4) при 60°С; в 40% - ной фосфорной кислоте при 100°С. Эти стали устойчивы в растворах органических кислот: уксусной, лимонной, муравьиной при 100°С;
стали на хромоникелевой основе с высоким содержанием кремния (≤ 6%), например сталь марки 02Х8Н22С6; эти стали устойчивы в сильноокислительных средах, в частности в кипящей концентрированной азотной кислоте;
сплавы на основе никеля и железа (никонель); эти сплавы специально созданы для работы в серной кислоте и средах, содержащих сероводород (04ХН40МДТЮ, 40НКХТЮМД);
сплавы на основе никеля; различают три основные системы таких сплавов: никель – молибден, никель – хром, никель – молибден – хром; в бинарных сплавах никель – молибден (хастеллой), например Н70М27, Н70МФ, молибден повышает коррозионную стойкость сплава в растворах соляной кислоты тем больше, чем больше его содержание в сплаве; эти сплавы устойчивы также в растворах H2SO4, H3PO4;
сплавы системы никель – хром (ХН45В) с высоким содержанием хрома – не менее 50…60%, имеют высокое сопротивление коррозии в растворах азотной кислоты, в том числе и с добавками ионов фтора;
сплавы системы никель – молибден – хром (ХН65МВ) с 15% - ми молибдена и 15% - ми хрома, использующиеся для работы во влажном хлоре, смесях кислот;
сплавы никеля с медью – монель-металл, например марки НМЖМц 28 − 2,5 − 1,5, обладающие устойчивостью, в частности, в неорганических кислотах.

Следует в завершение, отметить, что сплавы на основе никеля весьма чувствительны к присутствию примесей внедрения, прежде всего углерода, служащих причиной межкристаллитной коррозии или способствующих ее развитию. Поэтому современные никелевые сплавы содержат ≤ 0,006…0,015% углерода. Легирование ниобием и ванадием уменьшает склонность к межкристаллитной коррозии.

-сплавы, образующие труднорастворимые пленки продуктов коррозии;

К этой группе сплавов относят сплавы системы железо-кремний, обладающие коррозионной стойкостью в растворах HNO3,H2SO4,HCl,H3PO4, а также железо-углеродистые сплавы (стали) в концентрированной серной кислоте.

-металлические материалы, особо чистые по катодным примесям;

Чистые железо, цинк, алюминий весьма устойчивы в слабокислых растворах.

2.Введение в растворы кислот добавок, тормозящих процесс коррозии.

К замедлителям коррозии металлических материалов относятся так называемые травильные присадки. Катионы As3+,Bi3+ ,образующиеся при растворении присадок восстанавливаются на катодных участках поверхности корродирующего материала и замедляют процесс восстановления ионов водорода, обладая высоким перенапряжением водорода.

3.Нанесение на поверхность металлических материалов кислотостойких защитных покрытий.

-металлические защитные покрытия;

С целью предотвращения коррозии углеродистых сталей в растворах HCl и HNO3 последние могут подвергаться термосилицированию.

Для повышения устойчивости углеродистых сталей в серной кислоте используется свинцевание поверхности.

-создание плакирующего слоя;

Плакирование – механотермический метод получения защитного металлического покрытия. Оно образуется в результате совместной прокатки, горячей прессовки, нагрева под давлением двух слоев металлических материалов, один из которых играет роль покрытия. Толщина покрытия обычно составляет 10-20% от толщины основного (защищаемого) металла.

Например, для защиты малоуглеродистой низколегированной стали марки 09Г2С, используется метод плакирования – создания защитного слоя из никелевых сплавов типа ХН65МВ, Н70МФ и др.

-неметаллические органические покрытия;

Чаще других используются фенол - формальдегидные, эпоксидные, кремнийорганические смолы, а также асфальтобитумные покрытия. Особую ценность имеют кремнийорганические смолы – органические соединения, в цепях которых кислород частично замещен кремнием. Смешивая их с оксидами титана, можно получать покрытия, стойкие к нагреву до 6000С.

4.Применение устойчивых неорганических материалов

-стекло и эмали;

Эмали – стекловидные покрытия. Кислотостойкие эмали изготавливают с высоким содержанием SiO2 ,а кислото-щелочестойкие в своем составе имеют диоксид циркония. Эмали получают сплавлением шихты (песок, мел, глина и пр.) и плавней (бура, сода фтористые соли). Их высокая химическая стойкость обусловлена присутствием буры и кремнезема. Эмалевые покрытия получают погружением в расплав или пульверизацией с последующим обжигом до спекания в печи при температуре 880-1050 0С.

керамика – неорганический материал, получаемый обжигом глинистых материалов, состоящих из небольших кристаллов гидратированных алюмосиликатов. Из керамики изготавливают кислотостойкие изделия (плиты, кирпич).

-графит и графитовые материалы;

эти материалы вследствие их универсальной химической стойкости используются в противокоррозионной технике как футеровочные изделия (плитки, пластины блоки).

-каменное литье и ситаллы;

каменное литье (КЛ) – материал, получаемый кристаллизацией из расплава, основой которого является диабаз, базальт, андезит. Изделия из КЛ: плитки, фасонные детали, трубы.

ситаллы – неметаллический неорганический стеклокристаллический материал, получаемый кристаллизацией стекломассы при наличии в ней нуклеаторов (центров кристаллизации). Из ситаллов изготавливают листы (футеровочный материал, трубы, фасонные изделия).

Изделия из КЛ и ситаллов обладают высокой кислотостойкостью при температурах не более 1000С.

5.Электрохимические способы защиты.

В этом качестве чаще используется способ анодной защиты, базирующийся на переводе металлического материала в пассивное состояние. На практике анодную защиту чаще применяют для нержавеющей стали, содержащей хром, который обладает ярко выраженными пассивационными свойствами. Ее применяют также для титана и в некоторых случаях для углеродистой стали.

Читайте также: