3.3.3 Отдельные виды газовой коррозии

Наиболее часто на практике встречаются следующие виды газовой коррозии:

окисление;

коррозия в атмосфере азота;

коррозия в атмосфере, содержащей водород;

карбонильная коррозия;

ванадиевая коррозия;

коррозия, вызываемая сернистыми соединениями;

коррозия газообразным хлором и хлористым водородом.

Ниже рассмотрим основные виды коррозии, имеющие существенное значение для практики.

 

1 Окисление

При взаимодействии кислорода с металлами и сплавами последние окисляются с переходом через ряд фаз, определяющих скорость окисления. Эти фазы можно классифицировать следующим образом (рис. 3.4):

а) образование зародышей кристаллов на границе металл-окисел;

б) образование окисной плёнки на границе газ-металл в результате химической реакции на поверхности;

в) диффузия ионов металла и кислорода через окисную плёнку;

г) образование промежуточных слоёв в процессе роста окисной плёнки из-за неравномерной диффузии кислорода и ионов металла через неё;

д) изменение состава металла в поверхностных слоях вследствие избирательного окисления и диффузии в слоях окисной плёнки, причём поверхностный слой металла обедняется одними легирующими элементами и обогащается другими.

Металлы при высоких температурах могут окислятся кислородом, парами воды, оксидом углерода (CO2), оксидом серы (SO2) и др.

 

Помимо окисления при температуре выше 700°С кислород, пары воды, оксид углерода и другие кислородосодержащие вещества могут обезуглероживать сталь и чугун, ухудшая их механические свойства.

Окисление углерода происходит на поверхности стали: из прилегающего слоя он диффундирует на поверхность стали и окисляется. Снижение концентрации углерода в поверхностном слое стали приводит к изменению структуры сплава и ухудшает механические свойства, особенно предел усталости и предел прочности при растяжении.

При определённых условиях водяной пар обладает более сильным окислительным действием, чем воздух или двуокись углерода.

Газовая коррозия в перегретом паре идёт значительно быстрее, чем коррозия в воздушной среде при таких же температурах. Железо и низколегированные стали в перегретом паре при 500°С окисляются в два раза сильнее, чем в нагретом воздухе.

2 Коррозия в атмосфере азота

При нагревании в воздушной атмосфере большинство металлов и сплавов сильно окисляются, тогда как взаимодействие их с азотом протекает слабо. Исключение составляют сплавы, содержащие нитридообразующие элементы: хром, алюминий, титан, бериллий и др. Известно, что низколегированные хромом и алюминиевые стали при температуре 500°С образуют нитриды, обладающие высокой твёрдостью. Процесс образования нитридов на металлической поверхности называется азотированием и широко применяется в практике машиностроения.

Установлено, что добавление молибдена, ванадия и титана также благоприятно влияет на азотирование, а введение никеля затрудняют его.

При взаимодействии с азотом на поверхности металлов и сплавов протекает активная адсорбция; при этом скорость диффузии азота тем выше, чем больше сродство входящих в состав сплава элементов с азотом. Наибольшим сродством к азоту обладают титан и алюминий, значительно меньшим – хром, марганец, молибден, железо и кобальт.

Самым эффективным методом борьбы с газовой коррозией в атмосфере, содержащей азот, является повышение содержания никеля в сплаве. В последнее время в качестве защитных сред при термической обработке никелевых термоустойчивых сплавов используют азот или смесь водорода с азотом.

3 Коррозия в атмосфере, содержащей водород

Водород – одна из наиболее важных составных частей промышленных газов: водяного, светильного, генераторного. При его сжигании образуется водяной пар. Он легко диффундирует в металлы, изменяет их свойства и способствует протеканию некоторых реакций на поверхности и в толще металла.

Диффундирующий в металл водород взаимодействует с окислами, углеродом (или, точнее, с цементитом), серой, фосфором и рядом других элементов, образуя водяные пары, метан, сероводород и т.д. Эти продукты, например водяной пар или метан, приводят к нарушению структуры, понижают прочность металла, придают ему хрупкость и способствуют его разрушению. Такие процессы могут протекать в установках для синтеза аммиака, гидрирования углей при производстве бензина и в ряде других случаев, когда водород применяется при повышенной температуре и давлении. Наклёп или укрупнение зерен металла способствует повышению его хрупкости и преждевременному разрушению. Действие водорода сопровождается также обезуглероживанием металла. Влияние водорода усиливается при температуре выше 350°С и тогда мало зависит от содержания углерода в сплаве.

Вначале водород адсорбируется на металлической поверхности в молекулярном состоянии, а затем вследствие каталитических реакций диссоциирует на атомы. При температурах до 300°С в молекулярном состоянии водород практически не проникает в железо или сталь, но в атомарном состоянии он проникает в сталь даже при низких температурах, что наблюдается при её травлении в серной или соляной кислоте.

Количество водорода, диффундирующее в сталь, зависит от температуры травильных растворов. При этом возможно насыщение стали водородом. Установлено, что введённые в определённых количествах по отношению к углероду легирующие элементы (хром, ванадий, титан и др.), обеспечивающие образование карбидов, устраняют вредное влияние водорода.

Легированные стали в среде водорода ведут себя по-разному в зависимости от состава сплава: в одних из них воздействие водорода вызывает внутрикристаллический характер разрушения, у других – разрушения по границам зёрен. Отпуск образцов в вакууме в первом случае полностью восстанавливает их механические свойства, а во втором случае – нет.

У медных образцов под воздействием водорода снижаются механические свойства и этот процесс необратим. Медь следует отнести к неводородостойким металлам.

В табл. 3.1 приведены металлы и сплавы, стойкие к различным видам газовой коррозии.

 

Таблица 3.1 – Металлы и сплавы, стойкие к газовой коррозии

Вид коррозии     Металлы, сплавы

Окисление           Cr, Ni, стали, содержащие Ti и Ni

Наводораживание           Стали легированные Cr, V, Ti

Карбонильная коррозия Высоколегированные стали Cr, CrNi, бронзы

Сернистая коррозия        Хромистые стали, алюминий

Коррозия хлором и хлористым водородом             Никель и его сплавы, нержавеющие стали