ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Влияние легирующих элементов на окисление и рост пленки из "Коррозия и окисление металлов (перевод с англ)" На железных сплавах, содержащих менее 6% алюминия, образуется черная окалина, подобная той, которая бывает на нелегированном железе. Однако при содержании алюминия выше 8% на окалине появляются белые участки, а при 14% алюминия окалина часто становится совсем белой (состав сплава, необходимый для образования совершенно белой окалины, несомненно, зависит от температуры и состава газовой фазы) [7]. [c.64] Один из процессов покрытия железа алюминием (калоризация) состоит в помещении покрываемых изделий в смесь порошков из алюминия, окиси алюминия и хлористого аммония (в пропорции 49/49/2) и нагреве примерно при 850—950° С, что значительно выше точки плавления алюминия (659° С). Частицы металла, вероятно, коалисцировали бы, если в составе порошка не было бы окиси алюминия. Хлористый аммоний добавляется, по-видимому, как флюс для удаления тонкого слоя окиси, окружающего каждую частицу металла, и для образования летучего хлористого алюмилия. По другому процессу алюминий с помощью специального пистолета (стр. 552) наносится распылением на поверхность, которая затем для сплавления алюминия с железом нагревается до 850—950°. Перед нагревом наносится слой битума, предупреждающий окисление. [c.65] В нем также может присутствовать вюстит, но он обычно содержит хром. Правильнее его записать (Fe, Сг)0 [9]. [c.65] На практике добавляют хром, алюминий и кремний к стали, предназначенной для использования при высокой температуре. В качестве материалов для наиболее тяжелых условий (например, лопатки газовых турбин) обычно используют никельхромовые сплавы со специальными добавками. Иногда в этих сплавах присутствует железо, и может вводиться титан для предупреждения образования карбида хрома (титан связывает углерод в устойчивый карбид или в составляющую, содержащую титан, углерод и азот). [c.65] Если требования к механическим свойствам не являются определяющими, то хромоникелевая сталь 18/8, подобная обычной аустенитной нержавеющей стали может оказаться для некоторых целей достаточно стойкой против окисления. На практике, вероятно, желательно добавлять небольшое количество других элементов, например кремния и вольфрама. Для улучшения механических свойств также иногда приходится повышать содержание хрома и никеля. Найти материалы, способные противостоять окислению при постоянной температуре нетрудно, но в работе изделие обычно попеременно охлаждается и нагревается, что может вызвать растрескивание защитной пленки. [c.65] Шерли пришел к заключению, что обычная нержавеющая сталь 18/8 не может быть использована выше 800° С сталь с 23% хрома, 11,5% никеля и 2,75% вольфрама может применяться до 1050° С сталь же с 23% хрома и 21% никеля — до 1100° С. Из материалов без никеля сталь с 13% хрома выдерживает 750° С, сталь с 21% хрома—900° С и сталь с 29% хрома от 1100 до 1150° С в присутствии 3,4% кремния достаточно 8% хрома, чтобы можно было работать в интервале 800—900° С [10]. [c.66] Фалникар наблюдал, что хотя кобальтовые сплавы, содержащие больше 20% хрома, хорошо сопротивляются образованию окалины при длительном нагреве, но полученная окалина легко откалывается при охлаждении до комнатной температуры. Это мешает использованию таких сплавов на практике, несмотря на то, что скалывание может быть уменьшено небольшими присадками, например, кремния, который как бы вдавливает снаружи окалину в основной металл это явление хорошо выражено в никельхромовых сплавах, применяемых в электронагревательных элементах (стр. 70). [c.66] ПО крайней мере, не ухудшать его. О двух возможных исключениях — молибдене и ванадии —будет сказано ниже. [c.67] Отложение малых добавок в виде металла. Если малая добавка обладает меньшим сродством к кислороду, чем основной металл, то она обычно находится вблизи границы металл—окалина в металлическом состоянии, а не в виде окисла. Например, если железоникелевый сплав нагревается на воздухе, оба металла могут переходить наружу (в слой вюстита) как катионы (железо в виде двухвалентных ионов). Окись никеля, находящаяся в твердом растворе в слое окалины, ближайшем к металлу, будет быстро взаимодействовать с металлическим железом, образуя окисел железа и металлический никель. Как указывается Заксом, вюстит сам способен восстанавливать окись никеля, если содержание железа в нем больше 72%. В своей ранней работе Пфейль (стр. 40) нашел при нагреве никелевой стали частицы металлического никеля, включенные во внутренний слой окисла. Медь в стали также может накапливаться в этих слоях, но присутствие металлической меди под пленкой не приносит пользы она диффундирует в металл по границам зерен и сообщает стали хрупкость [13]. [c.67] Никель в этом отношении безвреден, скопление его в соответствующем слое пленки может препятствовать окислению. Закс изучал распределение никеля в толстой пленке на стали, содержащей от 1,5 до 3% никеля, нагревавшейся 24 часа при 1200—1250° С. Самое большое скопление металлических частиц (большей частью никеля) наблюдалось на некотором расстоянии от поверхности раздела между окисной пленкой и сердцевиной металла. В большинстве экспериментов в части пленки, которая расположена снаружи от исходной поверхности образца, никеля не найдено. Иногда никель присутствует в виде групп изолированных частиц, а иногда как филигранный узор . Механизм образования этих двух типов структур, вероятно, различный. Он описан во второй статье Закса [14]. [c.67] Многие жаростойкие сплавы содержат никель, и, хотя главной его функцией является улучшение механических свойств и, возможно, стабилизация аустенитной фазы, все же должно быть отмечено его участие в регулировании скорости окисления. В восстановительной атмосфере в присутствии соединений серы надо иметь в виду возможность образования низкоплавких эвтектик, содержащих сульфид никеля. В некоторых условиях сплавы с никелем в восстановительной атмосфере, содержащей серу, могут показать обратные результаты. Этот вопрос весьма сложен при выборе материала, стойкого в тяжелых условиях, и наблюдение за поведением различных сплавов в аналогичных условиях может быть более ценным, чем предсказания, сделанные на теоретической основе. Наилучшие результаты получаются при соединении теории с практикой. [c.67] Однако введение в качестве малой добавки относительно благородного металла не обязательно приводит к повышению сопротивления сплава окислению. Теория, развитая Вагнером, приводит к заключению, что пленка одинаковой толщины будет устойчивой только в том случае, если диффузия менее благородного металла в металлическую фазу идет быстрее, чем в окисел. Иначе поверхность раздела сплав—окисел, вероятно, становится неровной. В исключительных случаях в сечении могут наблюдаться выступающие части окисла менее благородного металла, заношенные в промежутках тонкими нитями сплава, богатого более благородным металлом. Вагнер вычислил, что при содержании благородного металла меньше 50% (атомных) скорость окисления сохраняет тот же порядок, как у менее благородного металла, не содержащего легирующей добавки другими словами легированием не может быть получено заметного повышения стойкости [15]. [c.67] Субпленки. Возможность разрыва пленки получается также, если малая добавка в сплаве обладает более высоким сродством к кислороду, чем основной металл. Медные сплавы с небольшим содержанием кремния или марганца изучались Райнсом. Даже в нелегированной меди при окислении небольшое количество кислорода находится в твердом растворе в металлической фазе, а также, по-видимому, у промежуточной поверхности металл — окисел. Устанавливается приблизительно равновесное состояние между растворенным кислородом (в металле) и связанным кислородом (в пленке). [c.68] Выделение мелких частиц окисла в основном металле может как ухудшить, так и улучшить механические свойства. Возможность улучшения механических свойств изучалась Мартэном и Смитом [19]. [c.68] что распределение окисла, показанное на фиг. 14, не может быть объяснено, если не принять движения кислорода внутрь так же, как металла наружу. Это является еще одним примером самопроизвольного движения анионов и катионов в противоположных направлениях. Такое самопроизвольное движение может устранить образование полости, типичной в случае движения только катионов, а также деформацию, типичную для движения только анионов. [c.69] Межкристаллитное проникновение не может распространиться далеко при таких температурах, при которых окисление управляется движением через пленку (т. е. при условиях подчинения параболическому закону). Сопротивление проникновению глубоко внутрь металла будет очень высоко, так что даже и при особом воздействии, направленном вдоль границы зерна, оно скоро замедлится и поверхность раздела между окислом и металлом сохранится совершенно ровной. В нелегированном металле межкристаллитное окисление невозможно, исключая условия, когда окисле- ф г. и. Межкристаллитное прение В основном следует закону прямой линии, никновение. как, например, при высоких температурах. [c.69] Вернуться к основной статье