Сплавы металла имеющие очень высокую химическую стойкость

Обновлено: 21.09.2024

Ржавчина покрывает металл рыхлым слоем, поэтому не предохраняет его от дальнейшей коррозии вплоть до полного разрушения. Растворы солей, как правило, вызывают более сильную коррозию, чем чистая вода. Небольшие количества NH ₄ C l, присутствующие в воздухе лабораторий, в значительной степени ускоряют коррозию. Неустойчивы к действию большинства разбавленных кислот. В разбавленных растворах НС l растворение железа идет интенсивно. Азотная кислота с концентрацией выше 50% пассивирует металл, однако защитный слой оксида хрупок, и пассивное состояние легко нарушается. Железо вполне устойчиво к действию дымящей HNO ₃ . Серная кислота пассивирует Железо при концентрации выше 70%, при нагревании стали марки СтЗ в 90%-й H ₂ SO ₄ при 40 °С скорость коррозии составляет 0,14 мм/год; при 90 °С скорость коррозии увеличивается в 10 раз; 50%-я H ₂ SO ₄ очень активно растворяет железо. Фосфорная кислота в отношении железа не агрессивна. В безводных органических растворителях Железо практически не корродирует, устойчиво к действию растворов щелочей, водного аммиака, сухих С l ₂ и В r ₂ . Хорошими ингибиторами коррозии являются хромовокислый натрий (в виде добавки к воде в количестве 0,1%), гексаметафосфат натрия. Ион Сl - , напротив, способствует снятию с металла защитной пленки и усилению коррозии. Технически чистое Железо с массовым содержанием примесей около 0,16% обладает высокой коррозионной стойкостью.

Низколегированные и среднелегирова н ные стали. Подобны простым углеродистым сталям, но небольшие легирующие добавки меди, никеля или хрома могут повышать устойчивость к атмосферной и водной коррозии. С повышением количества хрома повышается стойкость к окислению. Однако стали с содержанием хрома менее 12% в основном не рекомендуется использовать при контакте с химически активными средами.

Стали с содержанием хрома 12—18% устойчивы при контакте с пищевыми продуктами, большинством органических кислот, азотной кислотой, сильными щелочами, большинством растворов солей. скорость коррозии в 25%-й муравьиной кислоте составляет около 2 мм/год. Эта группа сталей неустойчива к действию сильных восстановителей, соляной кислоты, хлоридов и галогенов.

Нержавеющие стали с содержанием 17—19% хрома и 8—11% никеля более устойчивы по сравнению с обычными высокохромистыми сталями. Они исключительно стойки в окислительных средах, в том числе кислых (азотнокислой, хромовокислой и т. д.) и сильно щелочных. Добавка никеля повышает устойчивость к некоторым неокислительным средам. Они превосходно устойчивы к действию атмосферных факторов. Однако в кислых восстановительных средах, и особенно в кислых, содержащих ионы галогенов, пассивирующий слой оксидов разрушается и нержавеющие стали теряют свою кислотоустойчивость.

Нержавеющие стали с добавкой 1—4% молибдена. Их общая коррозионная стойкость выше, чем у хромоникелевых сталей. Введение молибдена повышает устойчивость к серной, сернистой, органическим кислотам, галогенидам и морской воде.

Железокремнистое литье (сплавы железа с 13—17% Si , ферросилиций). Коррозионная стойкость определяется образованием пленки Si 0₂, поэтому окислительные среды (азотная, серная, хромовая кислоты) лишь усиливают защитные свойства пленки. Соляная кислота вызывает коррозию ферросилиция.

Устойчив к атмосферным факторам, в том числе к атмосфере химических лабораторий, воде, даже соленой, нейтральным и щелочным солям — хлоридам, карбонатам, сульфатам, нитратам, ацетатам. Достаточно устойчив к органическим кислотам, если только они не горячие и не насыщены кислородом. Устойчив к кипящим концентрированным щелочам (КОН до 60%). Подвержен воздействию окислительных или восстановительных сред, окислительных солей (кислых или щелочных), окислительных кислот, например азотной, влажных газообразных галогенов, оксидов азота, диоксида серы.

Монельметалл (70% Ni , 30% Си) по сравнению с никелем более устойчив к кислотам, хотя и не выдерживает действия кислот с сильными окислительными свойствами. Обладает сравнительно хорошей устойчивостью к органическим кислотам, к большинству растворов солей. Не подвержен атмосферной и водной коррозии, устойчив к действию фтора. Монельметалл подобно платине выдерживает HF в концентрации 40% при кипении.

Благодаря защитной окисной пленке стойки к окислительным средам, в том числе к фтору, уксусной кислоте и большинству органических жидкостей, к атмосферной коррозии. Алюминий с содержанием примесей не более 0,5% обладает высокой стойкостью к действию Н2О2. Сильные восстановительные среды и едкие щелочи разрушают алюминий. Алюминий устойчив к действию разбавленной серной кислоты и олеума, но не стоек к серной кислоте средней концентрации. Такая же картина и в отношении горячей азотной кислоты. Соляная кислота разрушает защитную.пленку. При соприкосновении с ртутью или ее солями Алюминий быстро разрушается. Чем чище алюминий, тем меньше он подвержен коррозии. Дюралюминий (сплав с 3,5—5,5% Си, 0,5% Mg и 0,5—1% Мп) менее коррозионностоек. Силумин (11 — 14% Si ) имеет высокие антикоррозионные свойства.

Отличаются стойкостью к атмосферной и водной коррозии, включая морскую воду. Устойчивы к растворам едких щелочей при комнатной температуре, горячим разбавленным щелочам, сухому NH ₃ , нейтральным солям, сухим газам и к большинству органических растворителей. Сплавы с высоким содержанием меди (бронзы) устойчивы ко многим кислотам, включая горячую разбавленную и холодную концентрированную H ₂ SO ₄ . как разбавленную, так и концентрированную НСl без нагревания. Контакт с органическими кислотами в отсутствие кислорода не вызывает разрушения меди. Медь не поддается воздействию F ₂ и сухого HF . Медь и ее Сплавы подвержены действию окисляющих кислот и неокисляющих кислот в присутствии кислорода, влажного NH 3, некоторых кислых солей, таких влажных газов, как ацетилен, Cl ₂ . SO ₂ , СО₂ . Медь легко амальгамируется. Цинк-медные Сплавы (латуни) в основном не отличаются высокой коррозийной стойкостью.

Устойчив в сухом и влажном воздухе, в чистой воде. В воде с содержанием СО₂, NH ₃ или солей подвержен коррозии. Сильно корродирует в атмосфере лаборатории. щелочи растворяют цинк, в HNO 3 он растворяется быстро, в НС l и H ₂ SO ₄ — тем медленнее, чем чище цинк. Не взаимодействует с органическими растворителями, нефтепродуктами, однако при длительном контакте, например с крекинг-бензином, происходит коррозия за счет постепенного повышения кислотности бензина при его окислении воздухом.

Отличается устойчивостью к атмосферной и водной коррозии, устойчив при контакте с почвой, хотя заметно растворяется в воде, содержащей высокие концентрации СО₂ , за счет образования растворимого гидрокарбоната свинца. В основном обладает хорошей стойкостью по отношению к нейтральным растворам, удовлетворительной к щелочным, практически стоек к хромовой, серной, сернистой и фосфорной кислотам. В H ₂ SO ₄ концентрации 98% и выше при комнатной температуре свинец растворяется очень медленно; 48%-я HF вызывает коррозию при нагревании; заметно действуют на свинец НС l , HNO ₃ , а также уксусная и муравьиная кислоты. При взаимодействии с НС l свинец покрывается слоем труднорастворимого Р b С l ₂ , который препятствует дальнейшему растворению металла. Азотнокислый свинец, образующийся при действии азотной кислоты, нерастворим в концентрированной HNO ₃ , но растворим в разбавленной, поэтому разбавленная HNO ₃ более агрессивна по отношению к свинцу, чем концентрированная. Растворы нитратов агрессивны по отношению к свинцу, а хлориды, сульфаты и карбонаты — нет.

Обладает превосходной коррозионной стойкостью. Устойчив к действию FeCl ₃ , растворов солей, в том числе сильных окислителей. Легко подвергается действию более концентрированных минеральных кислот, но выдерживает кипящую HNO ₃ до концентрации 65% и H ₂ SO ₄ и НС l ниже 5%. Проявляет хорошую устойчивость к органическим кислотам, щелочам и щелочным солям.

Используется при необходимости высокой химической стойкости к большинству кислот и щелочей. Устойчив при контакте с Н₂О₂. Подвержен действию некоторых хлоридов, кипящей концентрированной НСl, царской водки, дымящей азотной и горячей концентрированной серной кислот. По отношению к соляной и серной кислоте цирконий устойчивее титана, а по отношению к влажному хлору и царской водке — наоборот. Практически важное свойство металлического циркония — гидрофобность его поверхности, он не смачивается водой и водными растворами.

Отличается превосходной химической стойкостью, подобно стеклу, что обусловлено наличием плотной оксидной пленки. При температуре ниже 150 °С на него практически не действуют Cl ₂ , В r ₂ , I ₂ . Устойчив к большинству кислот при комнатной температуре, в том числе к азотной кислоте, царской водке. На него почти не оказывают действия Растворы щелочей. На тантал действует HF и горя чие концентрированные Растворы щелочей, он растворяется в расплавах щелочей.

Химическая стойкость металлов и сплавов.

Химически стойкие материалы

Химически стойкими материалами называют такие, которые обладают способностью противостоять разрушительному химическому воздействию окружающей среды. Любой материал в той или иной степени подвергается химическому воздействию среды, поэтому к химически стойким материалам принято относить такие материалы, скорость разрушения которых практически допустима в данном конкретном случае, а изготовленные из них изделия достаточно долговечны.

Химически стойкие материалы делятся на металлические и неметаллические. К первым относятся индивидуальные металлы различной степени чистоты и сплавы; ко вторым относятся различные силикатные материалы, пластические массы, материалы на основе каучука, древесина, уголь и графит, лаки и краски. Лаки и краски используются в виде защитных покрытий.

Металлические химически стойкие материалы. Оценку стойкости металлических материалов производят на основании лабораторных и производственных испытаний. Измеряют какую-либо характеристику материала, связанную с происходящим химическим разрушением до и после воздействия агрессивной среды на образец. Чаще всего для этого служит вес образца. Если продукты реакции легко удаляются с поверхности металла (например, растворимые соли, образуемые при действии кислот), то отмечается потеря веса или, реже, его увеличение (например, в случае образования нерастворимых окислов). Изменение веса (в граммах) образца, имеющего определенную величину поверхности, происходящее за определенный срок, относят к 1 м2 за 1 час (г/м2час). Это дает весовое выражение скорости коррозии. Если химическое разрушение протекает равномерно по всей поверхности, то, зная плотность материала, можно по потере веса вычислить уменьшение толщины образца, т. е. глубину проникновения коррозии. Так вычисляется скорость коррозии (мм/год). Если коррозия протекает неравномерно, сосредоточиваясь на относительно малых участках поверхности, то оценка химически стойких материалов весовым методом ненадежна. Тогда измеряют наибольшую глубину изъязвлений или изменение механических свойств. Последнее особенно важно в том случае, если коррозия происходит по границам зерен металла (интеркристаллитная коррозия).

Металлические химически стойкие материалы можно подразделить.

1. Железные сплавы (например, углеродистая и низколегированная сталь, чугун) нестойки в кислотах, ржавеют в атмосфере и природных водах, но стойки в концентрированной серной кислоте и растворах щелочей при комнатной температуре. Хромистые стали (12—14% Cr, 0,1—0,4% С) мартенситного и полуферритного класса (16—18% Cr, 0,1% С и иногда с добавкой 1,5—2,0% Ni и с 27—30% Cr), ферритного класса стойки во влажном воздухе, в пресной воде, азотной кислоте; нестойки в серной и соляной кислотах, в соленой воде наблюдается их точечная коррозия. При более высоком содержании Cr стойкость их выше. Хромистые стали с 12—14% Cr (типичная нержавеющая сталь) и с 27—30% Cr (жароупорная сталь) применяется в машиностроении и химической промышленности для работы главным образом в азотной кислоте. Сходными свойствами обладает высокохромистый чугун с содержанием 2% С, 35% Cr. Хромоникелевые стали (17—20%' Cr, 8—10% Ni и 0,1% С, обычно с добавками Ti, иногда содержащие 2—3% Mo) относятся к аустенитному классу. Они стойки в тех же средах, значительно менее склонны к точечной коррозии, несколько более стойки в серной кислоте и соленой воде. Mo дополнительно увеличивает стойкость. После нагревания до 600—800° С (например, в зоне сварного шва) появляется их склонность к интеркристаллитной коррозии, устраняемая почти полностью добавкой Ti (иногда Nb). Существует много разновидностей аустенитной стали с различным содержанием Cr и Ni, часто Mo, Cu, обычно Ti, обладающей повышенной стойкостью в определенных средах. Особенно широко применяют сталь, содержащую 18% Cr, 9% Ni и 1% Ti (1Х18Н10Т). Благодаря высокой химической стойкости эта сталь обладает хорошими механическими технологическими свойствами в виде проката, штампованных, кованых и литых изделий и используется в химической, пищевой промышленности и в машиностроении. Применяются и аустенитные чугуны, содержащие 20% Cr, 20% Ni, а иногда 5—8% Cu. Сталь с 25% Cr и 20% Ni жароупорна и жаропрочна. Мартенситная и ферритная стали также проявляют склонность к межкристаллической коррозии. Сплав Fe—Si, содержащий не менее 14% Si, весьма стоек в серной кислоте различной концентрации и даже горячей, нестоек в соляной кислоте, но он очень хрупок и тверд и обладает пониженными литейными свойствами. Используется только в литом состоянии для изготовления насосов, клапанов и т. д. Сплав с 14—17% Si и 2,5—3% Mo стоек в серной и соляной кислотах.

2. Медь и ее сплавы. Чистая медь стойка в серной кислоте и разбавленной соляной в отсутствие кислорода, нестойка в азотной, в растворах NH3, KCN в присутствии кислорода, медленно тускнеет и окисляется во влажном воздухе и природных водах.

Близкие свойства имеют обычные медные сплавы. Оловянистая бронза с содержанием до 13% олова несколько более стойка, чем медь. Бронза алюминиевая (до 10% Al) имеет хорошую стойкость в разбавленных кислотах, кроме азотной, в растворах многих солей; применяется в химической промышленности. Хорошую стойкость имеют кремнистые бронзы с содержанием 3—4% Si. Весьма широко используется латунь, содержащая обычно до 40% Zn. Она применяется для изделий, работающие главным образом в природных водах и во влажном воздухе, но имеет склонность к так называемому обесцинкованию, т. е. потере Zn за счет окисления, с отложением чистой меди на поверхности изделия (особенно в кислых средах) и к «коррозионному растрескиванию» под действием агрессивной среды и механических напряжений, особенно в присутствии аммиака.

3. Никель и его сплавы. Чистый никель стоек во влажном воздухе и в природных водах, очень стоек в щелочах, сравнительно медленно разрушается в серной и соляной кислотах (в азотной кислоте не стоек). При нагреве нестоек в газах, содержащих сернистые соединения. Более высокой стойкостью обладает сплав, содержащий около 68—69% Ni, 28—29% Cu, остальные примеси (Fe, Mn, Si), так называемый монель-металл. Сплав с 20% Mo, остальное Ni (с примесью железа) весьма стоек даже в горячей соляной кислоте. Он обладает хорошими механическими свойствами. Применение его ограничено вследствие высокой стоимости. Никель и его сплавы нашли широкое применение в химической, пищевой, фармацевтической промышленностях.

4. Свинец и его сплавы. Чистый свинец обладает высокой стойкостью в серной кислоте и растворах ее солей. Стоек в 10%«ной соляной кислоте при комнатной температуре. He стоек (или мало стоек) в азотной, уксусной кислотах, щелочах, водах, содержащих свободную CO2 и многих других средах. Применяется свинец главным образом в виде листов для футеровки аппаратов и других приборов. Многие изделия (насосы, арматура) изготовляются из сплава с 10% Sb (твердый свинец), стойкость которого близка к стойкости свинца.

5. Алюминий и его сплавы. Чистый алюминий стоек во влажном воздухе, растворах нитратов, хроматов, концентрированной азотной кислоте, медленно разрушается в серной и уксусной кислотах при комнатной температуре. He стоек в соляной кислоте и щелочах, несколько более стоек в серной кислоте. Стойкость алюминия растет с уменьшением содержания примесей (Fe, Zn и др.). Он применяется в химической, фармацевтической и пищевой промышленности. Сплавы алюминия, применяемые для машиностроения, химически менее стойки.

6. Благородные металлы. Серебро устойчиво в кислотах, в отсутствие сильных окислителей, в растворах и расплавах щелочей. Оно не стойко в азотной, концентрированной серной кислотах.

Золото стойко в подавляющем большинстве сред. Нестойко в царской водке, в цианидах и водных растворах галогенов а присутствии кислорода.

Платина нестойка в царской водке, в газах HBr (бромоводороде) и HJ (йодистом водороде) при высокой температуре, в некоторых расплавах.

Благородные металлы находят ограниченное применение в химической промышленности; их используют лишь для особо ответственных целей.

Оценка химической стойкости неметаллических материалов производится так же, как и металлических, т. е. по изменению веса образца или навески порошка. При испытании весовая характерисгика дополняется определением изменений прочности, объема, набухания, внешнего вида и т. д. Ввиду разнообразия природы и свойств неметаллических химически стойких материалов общепринятой единой шкалы оценки их стойкости не существует. Ниже приведены основные группы неметаллических материалов.

1. Силикатные материалы. В эту группу входят как природные, так и искусственные материалы. Они обладают высокой стойкостью во всех кислотах, кроме плавиковой, в растворах солей, агрессивных газах, содержащих хлор. Менее стойки или вовсе не стойки в растворах и особенно расплавах щелочей.

В качестве футеровочных материалов, насадок, для постройки реакционных башен в химической промышленности применяют природные граниты, бештаунит, кварциты и др. Плавленые базальт и диабаз применяются в виде футеровочных плиток, труб, желобов, фасонных изделий. Из стекла изготовляют разнообразные, часто сложные изделия, например насосы. Плотная керамика применяется в виде кислотоупорных футеровочных плиток, труб и фильтров. В качестве вяжущего вещества для футеровки применяется кислотоупорный цемент. На его основе изготовляется кислотоупорный бетон для устройства башен, плавильных ванн и различных сосудов. Кислотоупорная эмаль служит для защиты металлических изделий, на которые она наносится тонким слоем. К силикатным материалам близок плавленый кварц, не чувствительный к резким колебаниям температуры, из которого изготовляют трубы, сосуды и различные детали химической аппаратуры.

2. Органические материалы. К этой группе химически стойких материалов относятся различные пластические массы. Пластические массы различаются по составу и свойствам. Для всех пластмасс характерна относительно низкая теплостойкость. Большинство из них обладает высокой стойкостью в минеральных и органических кислотах, растворах солей, агрессивных газах, содержащих хлор и сернистые соединения. Они обычно нестойки в азотной (HNO3), концентрированной серной (H2SO4) кислотах, растворах щелочей в некоторых органических растворителях. Из пластмасс изготовляются листы, трубы, вентили и другие фасонные изделия, часто весьма сложные.

К органическим металлам относятся химически стойкие материалы на основе каучука: резина мягкая и твердая (эбонит), стойкие в большинстве минеральных сред, кроме сильных окислителей (например, HNO3). Резину применяют часто для обкладки металлических изделий, работающих при температуре не выше 60—70° С.

Битумные материалы используют обычно в качестве обмазок, защищающих материал от коррозии (например, подземные трубопроводы). Обычно слой обмазки укрепляется тканевой обмоткой. Из асфальто-битумных материалов с добавкой наполнителей изготовляют баки для аккумуляторов, трубы, плиты и т. д.

В отдельную группу химически стойких материалов следует отнести различные лаки и краски, применяемые для защиты металлических изделий от разрушения агрессивной средой. Некоторые из них обладают высокой химической стойкостью, например бакелитовый лак, лак из хлорированного каучука и др.

К химически стойким материалам относятся так же древесина, уголь и графит. Древесина обладает достаточной стойкостью в некоторых кислотах, растворах солей; но она нестойка в окислителях, крепких растворах кислот (особенно H2SO4, HNO3) и в щелочах. Хвойные сорта древесины более стойки. Прессованная древесина имеет лучшие механические свойства, а пропитанная, например, расплавленными искусственными смолами имеет более высокую стойкость, однако нестойка в окислителях и некоторых органических растворителях. Из древесины изготовляют резервуары, баки, трубы, мешалки, реакторы и т. п.

Уголь и графит нестойки в сильных окислителях и растворяются в некоторых расплавленных металлах. Для уменьшения пористости применяют пропитку угля и графита, например, фенолформальдегидными смолами. Это мало влияет на стойкость, но снижает температуру, при которой возможно использование материалов до 140—150° С. Из угля и графита изготовляют ректификационные колонны, теплообменники (благодаря высокой теплопроводности), насосы, а также трубы и футеровочные плитки и другие сложные изделия.

Химическая и коррозионная стойкость металлов

Стандартный электродный потенциал алюминия равен -1,66В, т.е. он является достаточно активным металлом. Однако, благодаря склонности к пассивированию, алюминий может быть стоек во многих средах.

В нейтральных растворах солей, содержащих галогениды - фториды, хлориды, бромиды, йодиды;
В серной кислоте средней концентрации;
В кипящая уксусная кислота до 98%масс и выше 98,8%масс;
В капельножидкой и парообразной ртути (коррозия алюминия в уксусной кислоте начинается при присутствии ртути 0,000004% масс;
В щелочах (с водородной деполяризацией);
В плавиковой кислоте;
При контакте с медью, железом и их сплавами.

2. Химическая стойкость меди и ее сплавов.

Стандартный потенциал меди равен +0,52/0,337В для восстановления одновалентной и двухвалентной меди соответственно. Обычно при коррозии медь переходит в раствор именно в двухвалентной форме. Стандартный потенциал меди в растворе 3% хлорида натрия равен +0,05В, а в растворе 1Н соляной кислоты равен +0,15В. Поэтому медь при обычных условиях не вытесняет водород из растворов, т.е. не может корродировать с водородной деполяризацией. Способность к пассивированию у меди выражена слабо. Устойчивость к газовой коррозии меди повышается при легировании бериллием, магнием и алюминием.

Латунь — сплав меди и цинка. Введение в латунь алюминия, марганца, никеля повышает устойчивость сплава к атмосферной коррозии, кремния — к морской воде.

В солевых растворах;
В разбавленных неокислительных кислотах;
В формалине.

В растворах, где она может образовывать комплексы (цианиды, аммиак);
В растворах окислителей — азотная кислота, перекись водорода;
В присутствии растворенного кислорода (особенно при продувке его через раствор);
В хромовой кислоте;
В муравьиной кислоте;
В сульфидах, полисульфидах, сернистом газе.

3. Химическая стойкость никеля и его сплавов.

Стандартный потенциал никеля равен -0,25В. Коррозия никеля в основном протекает с килородной деполяризацией.

В неокисляющих разбавленных кислотах (соляная до 15%, серная кислота до 70%);
В ряде органических кислот, спиртах;
В любых щелочах при любых температурах.

В присутствии хлорида железа (III), хлорида меди (II), хлорида ртути (II), нитрата серебра, NaClO;
В окисляющих кислотах (например, азотная);
В концентрированных неокисляющих кислотах.

4. Химическая стойкость олова и его сплава с висмутом.

Стандартный потенциал олова равен -0,136В. Чистое олово компактно при температуре выше +13о С (в форме белого олова). Ниже этой температуры, особенно при -48о С олово активно переходит в аллотропную модификацию "серое олово", имеющую порошкообразную структуру. Для исключения этого явления олово легируют, например небольшим количеством висмута (0,5-2%). Олово слабо пассивируется.

В природных водах;
В растворах нейтральных солей;
В пищевых средах;
В разбавленных растворах серной и соляной кислот;
В органических кислотах.

5. Химическая стойкость свинца.

Стандартный потенциал свинца равен -0,126В. Коррозионная устойчивость свинца во многом определяется устойчивостью продуктов его коррозии.

В серной кислоте и сульфатах;
В фосфорной кислоте и фосфатах;
В соляной кислоте до 10%;
В жестких водах с сульфатом кальция;
В кремниевой кислоте;
В индустриальных атмосферах с сероводородом, сернистым газом и серной кислотой.

В азотной кислоте;
В уксусной кислоте;
В щелочах;
В серной кислоте выше 96% и олеуме;
В горячей серной кислоте до 80%;
В соляной кислоте свыше 10%;
В подземных водах с органическими кислотами;
В подземных водах насыщенных углекислотой.

6. Химическая стойкость цинка.

Стандартный потенциал цинка равен -0,76В. Цинк может корродировать как с водородной, так и с кислородной деполяризацией. В чистом виде применяется редко, в основном в хроматированом или хромИтированом виде, а также в пассивированом виде с применением безхромовых пассиваторов.

В пресной воде до 55°С;
В чистой и морской сухих атмосферах.

В кислых средах (при рН ниже 7);
В щелочных средах (при рН выше 12);
В индустриальных средах, содержащих SO₂, SO₃, HCl;
В морской воде и влажной морской атмосфере.

7. Химическая стойкость кадмия.

Стандартный потенциал кадмия равен -0,4В. Кадмий обладает низкой способностью к пассивации. По коррозионному поведения аналогичен цинку, однако с понижением рН скорость коррозии снижается. Кадмий более устойчив в кислых и нейтральных средах, чем цинк. В щелочных средах кадмий вполне устойчив. Самое главное - кадмий, в отличие от цинка, устойчив в морской воде и это определяет его главное применение. Присутствие SO₂ и SO₃ кадмий быстро корродирует. Как и цинк, кадмиевые покрытия применяются в хроматированом виде.

8. Химическая стойкость титана.

Стандартный потенциал титана равен -1,63/-1,21В для двухвалентной и трехвалентной формы соответственно. Титан склонен к пассивации.

СПЛАВЫ

СПЛАВЫ, материалы, имеющие металлические свойства и состоящие из двух или большего числа химических элементов, из которых хотя бы один является металлом. Многие металлические сплавы имеют один металл в качестве основы с малыми добавками других элементов. Самый распространенный способ получения сплавов – затвердевание однородной смеси их расплавленных компонентов. Существуют и другие методы производства – например, порошковая металлургия. В принципе, четкую границу между металлами и сплавами трудно провести, так как даже в самых чистых металлах имеются «следовые» примеси других элементов. Однако обычно под металлическими сплавами понимают материалы, получаемые целенаправленно добавлением к основному металлу других компонентов.

Почти все металлы, имеющие промышленное значение, используются в виде сплавов (см. табл. 1, 2). Так, например, все выплавляемое железо почти целиком идет на изготовление обычных и легированных сталей, а также чугунов. Дело в том, что сплавлением с некоторыми компонентами можно существенно улучшить свойства многих металлов. Если для чистого алюминия предел текучести составляет всего лишь 35 МПа, то для алюминия, содержащего 1,6% меди, 2,5% магния и 5,6% цинка, он может превышать 500 МПа. Аналогичным образом могут быть улучшены электрические, магнитные и термические свойства. Эти улучшения определяются структурой сплава – распределением и структурой его кристаллов и типом связей между атомами в кристаллах.

Многие металлы, скажем магний, выпускают высокочистыми, чтобы можно было точно знать состав изготавливаемых из него сплавов. Число металлических сплавов, применяемых в наши дни, очень велико и непрерывно растет. Их принято разделять на две большие категории: сплавы на основе железа и сплавы цветных металлов. Ниже перечисляются наиболее важные сплавы промышленного значения и указываются основные области их применения.

Сталь.

Сплавы железа с углеродом, содержащие его до 2%, называются сталями. В состав легированных сталей входят и другие элементы – хром, ванадий, никель. Сталей производится гораздо больше, чем каких-либо других металлов и сплавов, и все виды их возможных применений трудно было бы перечислить. Малоуглеродистая сталь (менее 0,25% углерода) в больших количествах потребляется в качестве конструкционного материала, а сталь с более высоким содержанием углерода (более 0,55%) идет на изготовление таких низкоскоростных режущих инструментов, как бритвенные лезвия и сверла. Легированные стали находят применение в машиностроении всех видов и в производстве быстрорежущих инструментов. См. также СТАНКИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЕ.

Чугун.

Чугуном называется сплав железа с 2–4% углерода. Важным компонентом чугуна является также кремний. Из чугуна можно отливать самые разнообразные и очень полезные изделия, например крышки для люков, трубопроводную арматуру, блоки цилиндров двигателей. В правильно выполненных отливках достигаются хорошие механические свойства материала. См. также МЕТАЛЛЫ ЧЕРНЫЕ.

Сплавы на основе меди.

В основном это латуни, т.е. медные сплавы, содержащие от 5 до 45% цинка. Латунь с содержанием от 5 до 20% цинка называется красной (томпаком), а с содержанием 20–36% Zn – желтой (альфа-латунью). Латуни применяются в производстве различных мелких деталей, где требуются хорошая обрабатываемость и формуемость. Сплавы меди с оловом, кремнием, алюминием или бериллием называются бронзами. Например, сплав меди с кремнием носит название кремнистой бронзы. Фосфористая бронза (медь с 5% олова и следовыми количествами фосфора) обладает высокой прочностью и применяется для изготовления пружин и мембран.

Свинцовые сплавы.

Обычный припой (третник) представляет собой сплав примерно одной части свинца с двумя частями олова. Он широко применяется для соединения (пайки) трубопроводов и электропроводов. Из сурьмяно-свинцовых сплавов делают оболочки телефонных кабелей и пластины аккумуляторов. Сплавы свинца с кадмием, оловом и висмутом могут иметь точку плавления, лежащую значительно ниже точки кипения воды ( ~ 70 ° C); из них делают плавкие пробки клапанов спринклерных систем противопожарного водоснабжения. Пьютер, из которого ранее отливали столовые приборы (вилки, ножи, тарелки), содержит 85–90% олова (остальное – свинец). Подшипниковые сплавы на основе свинца, называемые баббитами, обычно содержат олово, сурьму и мышьяк.

Легкие сплавы.

Современная промышленность нуждается в легких сплавах высокой прочности, обладающих хорошими высокотемпературными механическими свойствами. Основными металлами легких сплавов служат алюминий, магний, титан и бериллий. Однако сплавы на основе алюминия и магния не могут применяться в условиях высокой температуры и в агрессивных средах.

Алюминиевые сплавы.

К ним относятся литейные сплавы (Al – Si), сплавы для литья под давлением (Al – Mg) и самозакаливающиеся сплавы повышенной прочности (Al – Cu). Алюминиевые сплавы экономичны, легкодоступны, прочны при низких температурах и легко обрабатываемы (они легко куются, штампуются, пригодны для глубокой вытяжки, волочения, экструдирования, литья, хорошо свариваются и обрабатываются на металлорежущих станках). К сожалению, механические свойства всех алюминиевых сплавов начинают заметно ухудшаться при температурах выше приблизительно 175 ° С. Но благодаря образованию защитной оксидной пленки они проявляют хорошую коррозионную стойкость в большинстве обычных агрессивных сред. Эти сплавы хорошо проводят электричество и тепло, обладают высокой отражательной способностью, немагнитны, безвредны в контакте с пищевыми продуктами (поскольку продукты коррозии бесцветны, не имеют вкуса и нетоксичны), взрывобезопасны (поскольку не дают искр) и хорошо поглощают ударные нагрузки. Благодаря такому сочетанию свойств алюминиевые сплавы служат хорошими материалами для легких поршней, применяются в вагоно-, автомобиле- и самолетостроении, в пищевой промышленности, в качестве архитектурно-отделочных материалов, в производстве осветительных отражателей, технологических и бытовых кабелепроводов, при прокладке высоковольтных линий электропередачи.

Примесь железа, от которой трудно избавиться, повышает прочность алюминия при высоких температурах, но снижает коррозионную стойкость и пластичность при комнатной температуре. Кобальт, хром и марганец ослабляют охрупчивающее действие железа и повышают коррозионную стойкость. При добавлении лития к алюминию повышаются модуль упругости и прочность, что делает такой сплав весьма привлекательным для авиакосмической промышленности. К сожалению, при своем превосходном отношении предела прочности к массе (удельной прочности) сплавы алюминия с литием обладают низкой пластичностью.

Магниевые сплавы.

Магниевые сплавы легки, характеризуются высокой удельной прочностью, а также хорошими литейными свойствами и превосходно обрабатываются резанием. Поэтому они применяются для изготовления деталей ракет и авиационных двигателей, корпусов для автомобильной оснастки, колес, бензобаков, портативных столов и т.п. Некоторые магниевые сплавы, обладающие высоким коэффициентом вязкостного демпфирования, идут на изготовление движущихся частей машин и элементов конструкции, работающих в условиях нежелательных вибраций.

Магниевые сплавы довольно мягки, плохо сопротивляются износу и не очень пластичны. Они легко формуются при повышенных температурах, пригодны для электродуговой, газовой и контактной сварки, а также могут соединяться пайкой (твердым), болтами, заклепками и клеями. Такие сплавы не отличаются особой коррозионной стойкостью по отношению к большинству кислот, пресной и соленой воде, но стабильны на воздухе. От коррозии их обычно защищают поверхностным покрытием – хромовым травлением, дихроматной обработкой, анодированием. Магниевым сплавам можно также придать блестящую поверхность либо плакировать медью, никелем и хромом, нанеся предварительно покрытие погружением в расплавленный цинк. Анодирование магниевых сплавов повышает их поверхностную твердость и стойкость к истиранию. Магний – металл химически активный, а потому необходимо принимать меры, предотвращающие возгорание стружки и свариваемых деталей из магниевых сплавов. См. также СВАРКА.

Титановые сплавы.

Титановые сплавы превосходят как алюминиевые, так и магниевые в отношении предела прочности и модуля упругости. Их плотность больше, чем всех других легких сплавов, но по удельной прочности они уступают только бериллиевым. При достаточно низком содержании углерода, кислорода и азота они довольно пластичны. Электрическая проводимость и коэффициент теплопроводности титановых сплавов малы, они стойки к износу и истиранию, а их усталостная прочность гораздо выше, чем у магниевых сплавов. Предел ползучести некоторых титановых сплавов при умеренных напряжениях (порядка 90 МПа) остается удовлетворительным примерно до 600 ° C, что значительно выше температуры, допустимой как для алюминиевых, так и для магниевых сплавов. Титановые сплавы достаточно стойки к действию гидроксидов, растворов солей, азотной и некоторых других активных кислот, но не очень стойки к действию галогеноводородных, серной и ортофосфорной кислот.

Титановые сплавы ковки до температур около 1150 ° C. Они допускают электродуговую сварку в атмосфере инертного газа (аргона или гелия), точечную и роликовую (шовную) сварку. Обработке резанием они не очень поддаются (схватывание режущего инструмента). Плавка титановых сплавов должна производиться в вакууме или контролируемой атмосфере во избежание загрязнения примесями кислорода или азота, вызывающими их охрупчивание. Титановые сплавы применяются в авиационной и космической промышленности для изготовления деталей, работающих при повышенных температурах (150–430 ° C), а также в некоторых химических аппаратах специального назначения. Из титанованадиевых сплавов изготавливается легкая броня для кабин боевых самолетов. Титаналюминиевованадиевый сплав – основной титановый сплав для реактивных двигателей и корпусов летательных аппаратов.

В табл. 3 приведены характеристики специальных сплавов, а в табл. 4 представлены основные элементы, добавляемые к алюминию, магнию и титану, с указанием получаемых при этом свойств.

Бериллиевые сплавы.

Пластичный бериллиевый сплав можно получить, например, вкрапляя хрупкие зерна бериллия в мягкую пластичную матрицу, такую, как серебро. Сплав этого состава удалось холодной прокаткой довести до толщины, составляющей 17% первоначальной. Бериллий превосходит все известные металлы по удельной прочности. В сочетании с низкой плотностью это делает бериллий пригодным для устройств систем наведения ракет. Модуль упругости бериллия больше, чем у стали, и бериллиевые бронзы применяются для изготовления пружин и электрических контактов. Чистый бериллий используется как замедлитель и отражатель нейтронов в ядерных реакторах. Благодаря образованию защитных оксидных слоев он устойчив на воздухе при высоких температурах. Главная трудность, связанная с бериллием, – его токсичность. Он может вызывать серьезные заболевания органов дыхания и дерматит. См. также КОРРОЗИЯ МЕТАЛЛОВ и статьи по отдельным металлам.

Читайте также: