26 / 3 (66), 2012 The purpose of this work is development and research of cast boron materials and technology of their production, intended for work in corrosion environments. н. Ф. нЕВАр, ю. н. ФАСЕВич, н. В. лоБАноВСкАя, БнТу УДК 621.74:669.781 Бор и его влияние на коррозионнУЮ стоЙкостЬ литых изделиЙ Коррозионная стойкость − это способность ма- териалов сопротивляться коррозии, определяюща- яся скоростью последней в данных условиях. Кор- розионные испытания проводили в исскуственно созданных и тщательно контролируемых услови- ях, при этом применяли многоканальную измери- тельную аппаратуру с непрерывной записью изме- ряемых показателей. Коррозионную стойкость ис- следуемого сплава определяли на образцах, выре- занных из готовых изделий. Испытания проводили в стеклянной колбе с обратным холодильником. На дно реакционного сосуда насыпали слой медной стружки, поверх которой загружали исследуемые образцы. Сравнительные испытания на стойкость против межкристаллитной коррозии выполняли по методу АМ с кипячением в течение 24 ч по ГОСТ 6032–89. Для оценки скорости коррозии использу- ются как качественные, так и количественные ха- рактеристики [1, 2]. Изменения внешнего вида поверхности металла, его микроструктуры явля- ются примерами качественной оценки скорости коррозии. Для количественной оценки можно ис- пользовать следующие параметры: время до по- явления первого коррозионного очага; число кор- розионных очагов, образовавшихся за определен- ный промежуток времени; уменьшение толщины материала в единицу времени; изменение массы металла на единице поверхности в единицу време- ни; объем газа, выделившегося (или поглощенно- го) в ходе коррозии единицы поверхности за еди- ницу времени; плотность тока, соответствующая скорости данного коррозионного процесса; изме- нение какого-либо свойства за определенное время коррозии, например электросопротивления, отра- жательной способности материала, механических свойств. Коррозионностойкие материалы (металличе- ские и неметаллические) – это материалы, способ- ные противостоять разрушительному воздействию агрессивных сред. Такие материалы применяются для изготовления аппаратов, трубопроводов, арма- туры и других изделий, предназначенных для экс- плуатации в условиях воздействия кислот, щело- чей, солей, агрессивных газов и т. п. Под стойко- стью материала понимают его способность сопро- тивляться коррозии в конкретной среде или группе сред. Однако следует отметить, что материал, стойкий в одной среде, может интенсивно разру- шаться в другой. Различные материалы имеют разную коррози- онную стойкость, для повышения которой исполь- зуются специальные методы. Так, повышение кор- розионной стойкости возможно при помощи леги- рования (нержавеющие стали), нанесением защит- ных покрытий (хромирование, никелирование, алитирование, цинкование, окраска изделий), пас- сивацией и др. Устойчивость материалов к воздей- ствию коррозии, характерной для морских усло- вий, исследуется в камерах солевого тумана. Коррозионностойкие сплавы, легированные бором, можно широко использовать в средах раз- личной агрессивности, а также атомной энергети- ке благодаря их специфическим свойствам. Целью данной работы является разработка и исследова- ние литых борсодержащих материалов и тех- нологии их изготовления, предназначенных для работы в коррозионных средах [3]. Исследования проводили на образцах, выре- занных из тела отливки « Улитка корпуса насоса». Химический состав сплава: С–0,2%, В–2,4, Si–0,31, Mn–2,0, Mo–0,35, Al–0,8, S, Р–до 0,06%. Результа- ты испытаний на межкристаллитную коррозию проводили согласно ГОСТ 6032–84 после различ- ных режимов теплового воздействия. Требования к коррозионной стойкости сплавов для этих изде- лий следующие: / 27 3 (66), 2012 • стойкость против межкристаллической кор- розии (МКК) при испытаниях по методу AM (ГОСТ 6032–84), в том числе против провоцирую- щего нагрева; • общая коррозионная стойкость не ниже балла 2 (ГОСТ 13819–84) в водном растворе, содержащем 16 г/кг Н3ВО3 с суммарной концентрацией калия, лития, натрия 0,05 + 0,35 г/кг при температуре 100 °С. Образцы изделий испытывали на общую кор- розионную стойкость в различных состояниях: без термообработки (литые, после профилирования); после закалки в воде после нагрева до 1100 °С и отпуска 200, 680 °С с выдержкой 0,5 ч, охлажде- ния на воздухе. Результаты проведенных испытаний приведе- ны в табл. 1. В водном растворе, содержащем Н3ВО3 и ком- плекс других компонентов при температурах 20–100 °С, сплав имеет достаточно высокую общую коррозионную стойкость: убыль мас- сы за 2500±3000 ч испытаний не превышает 7,0 г/м, что в пересчете на глубинный показа- тель скорости коррозии составляет 3–5 мкм/год (балл 2–3, группа − стойкие материалы, ГОСТ 13819–68). При автоклавных испытаниях (температура 150оС, давление от 0,48 МПа) скорость коррозии возрастает, достигая за 2000 ч испытаний 16 мкм/ год. Результаты испытаний на общую коррозион- ную стойкость в водном растворе, содержащем 16 г/кг Н3ВО3 с суммарной концентрацией калия, лития, натрия 0,05 + 0,35 г/кг при температуре 20 – 150 °С, приведены в табл. 2. Результаты испытаний на стойкость против МКК сплавов после отпуска при температурах 200, 680 °С, выдержкой 0,5 ч показали, что сплав не проявляет склонности к этому виду коррозии. Тре- щины в зоне загиба образцов, подвергнутых кипя- чению в течение 15 и 24 ч, аналогичны трещинам на контрольных образцах (рис. 1). Загиб образцов без полного разрушения возможен не более чем на угол 30°. Характер трещин и характеристики скорости коррозии, рассчитанные по весовому методу для образцов, подвергнутых кипячению по методу AM в течение 15 и 24 ч, практически одинаковы для каждого испытания образца. Сравнение количественных характеристик склонности к коррозии при всех вариантах испы- таний на стойкость против МКК позволило оце- нить влияние температурного режима на пассиви- руемость в водном растворе. Пассивные свойства нетермообработанного сплава после отпуска 680 °С несколько выше, чем после отпуска 200 °С. Результаты испытаний на стойкость против МКК после различных режимов отпуска представлены в табл. 3. Однако практической разницы в значениях ско- рости общей коррозии литых борсодержащих сплавов, испытанных в водном растворе, содержа- Т а б л и ц а 1. Результаты испытаний на МКК Термическая обработка Состояние поверхности загиба Склонность к МКК 700 °С – 1 ч − охлаждение на воздухе Общее растравление поверхности в начале загиба. Мелкие трещинки аналогичны трещинам до кипячения Нет 800 °С–0,5 ч – вода То же Нет 800 °С–0,5 ч – воздух То же Нет 900 °С–0,5 ч – вода То же Нет 900 °С–0,5 ч – воздух То же Нет 1000 °С–0,5 ч – воздух То же Нет 1100 °С–0,5 ч – вода Общее растравление поверхности; образец сломался в начале загиба. Мелкие трещинки, аналогичны трещинам до кипячения. Нет Т а б л и ц а 2. Результаты испытаний Температура испытаний в термостатированной ячейке (при атмосферном давлении),°С Коррозионные потери за время испытаний, ч 250 500 1000 2000 3000 убыль массы, г/м2 скорость коррозии, мкм/год убыль массы, г/м2 скорость коррозии, мкм/год убыль массы, г/м2 скорость коррозии, мкм/год убыль массы, г/м2 скорость коррозии, мкм/год убыль массы, г/м2 скорость коррозии, мкм/год 20 0,46 2,05 0,49 1,11 0,63 0,71 0,7 0,31 0,91 0,33 50 1,19 4,26 1,55 3,48 2,25 2,53 3,56 1,99 4,96 1,86 70 1,48 6,64 2,39 5,39 3,17 3,56 4,05 2,27 5,92 2,13 100 1,76 7,9 3,27 5,83 4,08 4,6 4,89 2,75 6,16 2,31 150 4,16 18,7 5,0 11,2 7,89 8,87 28,0 15,8 31,0 11,7 28 / 3 (66), 2012 щем 16 г/кг Н3ВО3 c суммарной концентрацией ка- лия, лития, натрия 0,05 + 0,35 г/кг при температуре 100 °С, состояниях после отпуска 200–680 °С, не наблюдается (табл. 4, рис. 2). Для кинетики коррозии во всем исследован- ном диапазоне температур характерно торможение во времени, особенно при температурах 100− . 150 °С (рис. 3, 4). Экспериментальные точки зна- Рис. 1. Микроструктура сплавов в месте загиба при испытании на стойкость против межкристаллической коррозии. ×300 Т а б л и ц а 3. Результаты испытаний на стойкость против МКК после различных режимов отпуска Температура, ºС; длительность отпуска, ч Метод испытаний Длительность кипячения, ч Результаты испытаний Скорость коррозии, г/(м2 · ч) состояние поверхности склонность к МКК Без последующей термической обработки АМ 15 Некоторый растрав поверхности при загибе на угол 45º; трещины аналогичны трещинам на контрольных образцах Нет 6,64 24 Нет 5,90 Закалка + 200 ºС; 0,5 ч АМ 15 Растрав поверхности; при загибе на угол 45º; трещины аналогичны трещинам на контрольных образцах Нет 8,48 24 Нет 8,05 Закалка + 680 ºС; 0,5 ч АМ 15 То же Нет 7,90 24 Нет 6,80 Закалка + 800 ºС; 0,5 ч АМ 15 То же Нет 8,66 24 Нет 9,41 П р и м е ч а н и е. Среднее значение измерений из трех образцов. Т а б л и ц а 4. Общая коррозионная стойкость в водном растворе борной кислоты после различных температур отпуска Температура ° C; давление, МПа Температура отпуска, °С Показатель коррозионной стойкости за время испытаний, ч 500 1000 2000 2500 убыль массы, г/м2 скорость коррозии, мкм/год убыль массы, г/м2 скорость коррозии, мкм/год убыль массы, г/м2 скорость коррозии, мкм/год убыль массы, г/м2 скорость коррозии, мкм/год 100 °С; 1 МПа 200 − − 3,5 3,9 5,0 2,5 6,4 2,9 680 − − 4,5 5,0 5,4 2,7 7,0 3,14 150 °С;1,09 МПа (автоклав) 200 10,3 23,13 12,96 14,5 14,4 7,6 − − 680 6,0 13,5 8,0 9,0 16,3 8,7 − − / 29 3 (66), 2012 чений убыли массы образцов изделий вне зависи- мости от температуры отпуска ложатся в области, ограниченные весьма небольшим разбросом дан- ных. Результаты испытаний доказали, что сплав об- ладает стойкостью против МКК в литом состоя- нии, а также после термической обработки с на- гревом 800–1100 °С с последующим охлаждением в воде и на воздухе. При изготовлении многих деталей машин горнодобывающей отрасли промышленности ис- пользуются достаточно дорогостоящие основ- ные и вспомогательные материалы. Проведен- ные исследования показали, что можно исполь- зовать более дешевые материалы с содержанием бора 1–3% и хрома 1,55%. При этом количество хрома снижено в 8–10 раз. Замена сплава на ис- следованный в работе приводит к значительной экономии феррохрома без ухудшения эксплуата- ционных свойств изделия. Работа в гидроабра- зивной среде приводит к быстрому выходу агре- гата из строя. Проведение объемного упрочнения бором позволило увеличить срок службы рабоче- го органа. Таким образом, использование иссле- дуемого сплава позволит снизить стоимость изде- лия и увеличить ресурс работы агрегата в 1,5–2,0 раза. Коррозионную стойкость материалов можно повысить, если нанести на них защитные покры- тия. Для защиты от атмосферной коррозии широко применяют цинкование, анодирование, алитирова- ние (покрытие алюминием), никелирование, хро- мирование, эмалирование, а также нанесение орга- Рис. 3. Кинетика коррозии в водном растворе борной кислоты при температуре 100 °С и давлении 1,0 МПа Рис. 4. Автоклавные испытания. Кинетика коррозии в водном растворе борной кислоты при температуре 150° С и давлении 1,09 МПа Рис. 2. Общая коррозионная стойкость после различных температур отпуска: 1 – при температуре отпуска 200 °С; 2 – при температуре отпуска 680 °С 30 / 3 (66), 2012 нических материалов – лакокрасочных покрытий. Для замедления разрушения материалов в агрес- сивных средах широко используют ингибиторы коррозии. Выводы 1. Исследуемый сплав обладает стойкостью против межкристаллитной коррозии в литом со- стоянии, а также после термической обработки, за- ключающейся в нагреве до 800–1100 °С с охлажде- нием в воде и на воздухе. 2. Сплав обладает коррозионной стойкостью в растворах кислот до 1000º С, в газовой среде до 1100–1200º С, а также высоким сопротивлением абразивному износу деталей. 3. Проведенные испытания показали повы- шенную стойкость получаемых литых изделий из разработанного борсодержащего сплава, что объясняется более высокой прочностью, а так- же особенностями структуры и свойств литого сплава. Литература 1. Ф о к и н М. Н., Ж и г а л о в а К. А. Методы коррозионных испытаний металлов. М.: Металлургия, 1986. 2. Ф р е й м а н Л. И., М а к а р о в В. А., Б р ы с к и н И. Е. Потенциометрические методы в коррозионных исследовани- ях и электрохимической защиты. Л.: Химия,1972. 3. Н е в а р Н. Ф., Ф а с е в и ч Ю. Н. Исследование литейных свойств сплавов, упрочненных боридными фазами // Литье и металлургия. 2001. № 4. С. 43–44.