Понимание коррозии нержавеющей стали: типы, причины и профилактика

Во многих промышленных применениях нержавеющая сталь обеспечивает отличную коррозионную стойкость — именно поэтому нержавеющая сталь не ржавеет. Помимо механических поломок, серьезной формой коррозии нержавеющей стали является локальная коррозия. Отказы, вызванные локальной коррозией, составляют почти половину всех случаев. Фактически, многие отказы можно избежать через правильный выбор материала. Каковы распространенные типы коррозии нержавеющей стали? Разберем коррозионную стойкость различных марок нержавеющей стали.

Типы коррозии нержавеющей стали

• Коррозионное трещинообразование под напряжением (КТН): общий термин, обозначающий разрушение напряженных сплавов из-за роста глубоких трещин в коррозионной среде. КТН имеет хрупкий характер разрушения, но может возникать и в материалах с высокой вязкостью. Необходимое условие — наличие растягивающих напряжений (остаточные, прикладные или оба вместе) и специфическая коррозионная среда. Трещины распространяются примерно перпендикулярно направлению растягивающих напряжений. На микроуровне трещина, проходящая через зерна, называется транскристаллитной, а идущая по границам зерен — интеркристаллитной. Когда коррозионная трещина достигает определенной глубины, материал ломается по нормальной трещине (в вязких материалах обычно через коалесценцию микродефектов). Поэтому сечение деталей, отказавших из-за КТН, содержит характерную зону КТН и зону, связанную с коалесценцией микродефектов.
• Питтинговая (ямочная) коррозия: форма локальной коррозии, приводящая к образованию ямок.
• Интеркристаллитная (межграничная) коррозия: границы зерен — это зоны несоответствия дислокаций между зернами с разной кристаллографической ориентацией. Поэтому они являются зонами сегрегации различных примесных элементов или межметаллических соединений, благоприятных для выделения. Неудивительно, что в некоторых коррозионных средах границы зерен могут корродировать в первую очередь. Этот тип коррозии называется интеркристаллитной, и большинство металлов и сплавов могут проявлять её в специфических коррозионных средах.
• Щелевая коррозия: форма локальной коррозии, возникающая в щелях, где раствор стагнирует, или на экранированных поверхностях. Такая щель может образовываться на стыке металл-металл или металл-неметалл, например, при соединении резьбовыми соединениями, болтами, прокладками, седлами клапанов, осыпами на поверхности и морскими организмами.
• Общая (равномерная) коррозия: термин, описывающий коррозию, происходящую на всей поверхности сплава относительно равномерно. При общей коррозии материал постепенно утончается из-за коррозии до коррозионного отказа. Нержавеющая сталь может проявлять общую коррозию в сильных кислотах и щелочах. Отказы, вызванные общей коррозией, не так тревожны, так как эту коррозию обычно можно предсказать простым испытанием на погружение или по литературе по коррозии.

Коррозионная стойкость серий нержавеющей стали

Ферритная нержавеющая сталь (хромистая сталь, например, 400-я серия)

Нержавеющая сталь, преимущественно ферритная в эксплуатации, имеет кубическое объемно-центрированное кристаллическое решетку с массовой долей Cr 11–30%. По сравнению с аустенитной нержавеющей сталью, этот тип стали обычно не содержит Ni, иногда содержит небольшое количество Mo, Ti, Nb и других элементов. Применение аргон-кислородной декарбуризации (AOD) и вакуумной кислородной декарбуризации (VOD) позволяет значительно снизить содержание C и N. Преимущества: экономия никеля, низкая цена, хорошая стойкость к КТН и хорошая окислительная стойкость. Преимущественно применяется в средах, устойчивых к атмосферной, паровой, водяной пар и окисляющей кислотной коррозии. Обладает определенной коррозионной стойкостью в разбавленной азотной кислоте и слабых органических кислотах при комнатной температуре, поэтому широко используется. Однако не устойчива к коррозии в восстанавливающих кислотах и других средах. У обычной ферритной нержавеющей стали есть недостатки: низкая ударная вязкость, плохая пластичность и коррозионная стойкость после сварки, чувствительность к интеркристаллитной коррозии, плохая стойкость к питтингу, что ограничивает её применение.

Аустенитная нержавеющая сталь (хромо-никелевая сталь, например, 300-я и 200-я серии)

Аустенитная нержавеющая сталь широко используется в различных под давлением элементах сосудов под давлением благодаря своим немагнитным свойствам, высокой прочности, вязкости и пластичности в широком диапазоне температур, легкости холодной деформации (прокатки, прессования) и стойкости к коррозии в окисляющих средах. Поскольку аустенитная нержавеющая сталь имеет кубическое гранецентрированную структуру, она не проходит фазовое превращение и хорошо сварена. У аустенитной нержавеющей стали обычно нет температуры хрупкого перехода, поэтому она часто используется как криогенная сталь.

Растворенная нержавеющая сталь серии 18-8 обладает хорошей коррозионной стойкостью в окисляющих кислотах, атмосфере, воде, парах и других средах. Интеркристаллитная стойкость улучшается при низком углероде или стабилизации элементами Ti или Nb, стойкость к питтингу улучшается при добавлении Mo. Содержащие Mo, Cu и другие элементы стали также устойчивы к коррозии неокисляющих кислот (разбавленной серной, фосфорной) и органических кислот (муравьиной, уксусной). Однако стойкость к питтингу недостаточна, легко возникает КТН в растворах галогенов. При длительной эксплуатации при температурах выше 500–600 °C происходят крип и сенсибилизация.