Мікроструктура істотно впливає на корозійну стійкість сталі [1-3]. Це особливо стосується сталей з карбідним зміцненням. Так, із збільшенням площі карбідної фази швидкість корозії підвищується. Підвищення вмісту вуглецю в сталі також збільшує швидкість корозії. У зв'язку з цим, виник інтерес дослідити корозійну стійкість навуглецьованого сплаву Fe-2,8 % Cr-1,4 % Ti, зміцненого з поверхні карбідними волокнами.

Дослідний сплав Fe-2,8 % Cr-1,4 % Ti навуглецьовували за двома режимами – при температурах 950 і 1100 °С протягом 3 годин. Це було зроблено з метою одержання різних структур у дифузійному шарі. Чітко виражені колоніальні структури формувалися у процесі навуглецювання при температурі 1100 °С. У зразках, які були навуглецьовані при температурі 950 °С, карбідна фаза формувалася у вигляді глобулів або трохи витягнутих вкраплень.

Проводили випробування на такі види корозії: атмосферну корозію – корозію в природній атмосфері повітря; міжкристалітну корозію – як одного з видів структурної корозії; газову корозію – окислення в атмосфері печі при температурі 1000 °С.

Атмосферна корозія. Більше 80 % всіх металоконструкцій експлуатується в атмосфері. Тому атмосферна корозія – найпоширеніший вид корозійного руйнування металів. Атмосферна корозія практично завжди протікає з кисневою деполяризацією. Починається вона з формування на поверхні спочатку мономолекулярного, а потім полімолекулярного адсорбційного шару кисню. На окремих ділянках цього шару з високою енергією зв'язку в процесі поверхневої дифузії утворюються молекулярні агрегати метал-кисень, які трансформуються в центри утворення оксиду. Для початкових стадій окислення характерно розвиток дискретних центрів кристалізації первинного оксиду. Число, розміри та поширення центрів утворення первинного оксиду залежать від режиму процесу, від складу та структури сталі. Процес утворення первинного оксиду, що починається з поверхні, поширюється вглиб або просувається суцільним фронтом, а частіше по каналах, якими є границі зерен, субзерен та міжфазні границі. Від учасників корозії можуть поширюватися крихкі тріщини, на дні яких локалізуються напруги, що розтягують, і відбувається крихке руйнування сталі.

Оцінка загальної корозійної стійкості зразків в атмосферних умовах проводилася на вигляд і по зміні маси з визначенням балу стійкості. Випробуванням піддавали по три зразки з різною структурою в навуглецьованому шарі.

Виявлено, що досліджуваний Fe-2,8 % Cr-1,4 % Ti сплав після навуглецювання є корозійностійким в атмосферних умовах і має близьку до мінімальної для цього балу стійкості швидкість корозії. Впливу морфології карбідної складової в дифузійному шарі на загальну корозійну стійкість сплаву не виявлено.

Металографічні дослідження зразків показали, що механізм атмосферної корозії має осередковий характер. Дрібні окремі осередки проникають на незначну глибину.

Міжкристалітна корозія є одним із різновидів структурної корозії сплавів. При даному електродному потенціалі сплаву швидкості корозії структурних складових різні, причому має значення морфологія структурних складових та їх розташування (по тілу зерна або по границям зерен). Міжкристалітну корозію трактують як електрохімічний процес, зумовлений електрохімічною гетерогенністю між приграничними ділянками та обсягом зерен [4]. Зв'язки між зернами слабшають, агресивне середовище проникає вглиб металу, виникають тріщини, що призводять до руйнування. Однорідність структури сприяє підвищенню корозійної стійкості сталей [4].

При дослідженні схильності навуглецьованого дослідного сплаву до міжкристалітної корозії використовували метод анодного травлення зразків у водному розчині сірчаної кислоти. Дослідні зразки мали колоніальну структуру в дифузійному шарі і структуру з дисперсним розташуванням карбідів.

Після металографічного дослідження зразків встановили, що загальний характер впливу агресивного середовища можна віднести до точкової корозії, ніж до міжкристалітної (рис. 1). Причому структура з колоніальною будовою карбідної фази (рис. 1, а) виявилася більш стійкою до цього виду корозії.

а                                                  б

Рис. 1. Мікроструктура зразків дослідного сплаву після випробувань на міжкристалітну корозію: а – дифузійний шар з колоніальною структурою, б – дифузійний шар із глобулярними карбідами, х400

Газова корозія. Зразки сталей витримували в атмосфері печі при 1000 °С протягом 24 годин, періодично зважували через кожні 2 години. Знаючи приріст маси та площу досліджуваних зразків, розраховували корозію – питоме збільшення маси, мг/см².

Випробування показали, що рівень жаростійкості дослідного навуглецьованого сплаву Fe-Сr-Тi не залежить від морфології карбідної фази в дифузійному шарі. У початковий момент часу відбувається збільшення маси зразків, пов'язане з утворенням шару оксидів на поверхні. Після закінчення 2-х годин приріст маси починає падати, поступово стабілізуючись.

Таким чином, проведені випробування досліджуваного навуглецьованого                  Fe-Сr-Тi сплаву на атмосферну, міжкристалітну та газову корозію показали, що навуглецьований шар з колоніальною структурою в даному сплаві виявився стійким до зазначених видів корозії. Це, очевидно, пов'язано з тим, що кооперативний розпад α → γ + К при навуглецюванні йде з утворенням карбіду TiC, який росте у вигляді стрижня, що займає мінімальний об'єм і пронизує зерна. Прикордонні виділення при кооперативному перетворенні відсутні. Титан зв'язує вуглець, що надходить ззовні, в стійкі карбіди ТіС, що виключає можливість утворення карбідів хрому і зниження його концентрації в матриці. Отже, відсутність карбідних виділень по границях зерен аустенітно-карбідних колоній, а також рівномірність розподілу хрому в матриці дають можливість дослідному сплаву бути корозійностійким.

Література:

1.  Clover, D., Kinsella, B., Pejcic, B. et al. The influence of microstructure on the corrosion rate of various carbon steels // J. Appl. Electrochem., 2005. vol. 35. P. 139–149. https://doi.org/10.1007/s10800-004-6207-7.

2.  López D.A., Schreiner W.H.,  Sánchez S.R. de,  Simison S.N.  The influence of carbon steel microstructure on corrosion layers: An XPS and SEM characterization // Applied Surface Science, 2003. vol. 207, Iss. 1–4. P. 69-85. https://doi.org/10.1016/S0169-4332(02)01218-7

3.  Alves, V., Brett, C. & Cavaleiro, A. Influence of heat treatment on the corrosion of high speed steel. J. Appl. Electrochem., 2001. vol. 31. P. 65–72. https://doi.org/10.1023/A:1004157623466

4.  Marcus P. Corrosion mechanisms in theory and practice // Second Edition, Revised and Expanded. Marcel Dekker, Inc., 2002. 729 p.