Rezistenta anticorosiva a ferului si a aliajelor Fe - C

Rezistenta anticorosiva a ferului si a aliajelor Fe - C

1. Rezistenta anticorosiva a ferului

Ferul are caracter electronegativ moderat si de aceea are tendinta de a trece in solutie in contact cu mediile acide si neutre sub forma de ioni Fe²⁺. In medii puternic alcaline ferul se corodeaza sub forma de feriti iar in medii slab alcaline nu este atacat.

In general peliculele protectoare de pe fer sunt formate din oxizi si hidroxizi de fer iar stabilitatea lor depinde de pH-ul solutiei, de natura ionilor, de prezenta gazelor dizolvate, de temperatura, de viteza de curgerea solutiei etc.

Rezistenta anticorosiva a ferului in solutii de acizi

Viteza de coroziune a ferului in acid clorhidric (HCl) creste logaritmic cu concentratia acidului. In acid sulfuric (H₂SO₄) diluat viteza de coroziune este aceeasi cu cea din HCl, atingand un maxim la 45% HCl, dupa care scade pentru ca la o concentratie de 65% - 100% HCl sa apara fenomenul de pasivare.

Ferul are o coroziune acceptabila in acid fluorhidric (HFl), cu concentratie mare, peste 65%, in timp ce in solutii mai diluate coroziunea este mai intensa.

In acid azotic (HNO₃) cu concentratia de 32% viteza de coroziune este de 50 mm/an, iar la concentratii de peste 65%, viteza este de 0,125 – 0,05 mm/an (fapt explicat de fenomenul de pasivare).

Ferul si otelul rezista bine la amestecuri concentrate de H₂SO₄ si HNO₃ (acizi oxidanti).

Rezistenta anticorosiva a ferului in solutii de saruri

In solutii de cloruri alcaline aerate viteza de coroziune creste odata cu concentratia solutiei pana la o anumita valoare dupa care scade. Sarurile de amoniu au o actiune corosiva foarte p 535c25f uternica asupra ferului si otelului la temperaturi ridicate.

Rezistenta anticorosiva a ferului in solutii alcaline

La temperatura camerei ferul are o rezistenta anticorosiva buna in solutii de hidroxizi alcalini. Aerarea, temperaturile inalte, concentratiile foarte mari, prezenta dioxidului de carbon si a clorurilor in alcalii, creste apreciabil viteza de coroziune. Solutiile de 5% hidroxid de sodiu (NaOH) la temperaturi inalte sunt puternic corosive.

2. Coroziunea ferului in diferite medii corosive

Coroziunea ferului in ape naturale

Coroziunea ferului este mai accentuata in apele moi decat in cele dure, deoarece in apele dure este posibila precipitarea unui strat protector de CaCO₃. In apa de mare viteza de coroziune a ferului este de 25mg/dm³ zi si deseori se intalnesc forme de coroziune localizata.

Coroziunea ferului in gaze

Ferul rezista in clor uscat pana la 200 ^oC, insa nu rezista in clor umed. Coroziunea atmosferica a ferului depinde de tipul de contact al umezelii cu ferul, de natura atmosferei, si de compozitia chimica a ferului. In atmosfera uscata viteza de coroziune este foarte mica iar in atmosfera umeda de tip marin si industrial, viteza de coroziune este apreciabila.

Coroziunea ferului in sol

Aceasta depinde de compozitia chimica a solului, de gradul de aerare, de compozitia mineralogica si de umiditate.

In solurile salinizate, umede, bine aerate, ferul se corodeaza usor, suferind o coroziune localizata. In solurile uscate coroziunea este mai redusa.

3. Rezistenta anticorosiva a fontelor

Rezistenta anticorosiva a fontelor obisnuite (nealiate).

Fontele nealiate contin pe langa carbon si elemente insotitoare: Si, Mn, S, P. Dupa modul in care se prezinta in casura, fontele se impart in :

- Fonte cenusii, formate din matricea metalica si carbon sub forma de grafit.

- Fonte albe, formate din matricea metalica si cementita (Fe₃C).

Cementita si carbonul-grafit pot sa accelereze coroziunea deoarece au un potential mai electropozitiv decat matricea metalica. Fontele cenusii se pot coroda cand sunt scufundate in apa sarata, in solutii diluate de acizi sau in soluri ce contin sulfati. Procesul consta in dizolvarea feritei a ( F_a ) din structura aliajului, in timp ce grafitul ramane intact. Ca urmare apare o structura poroasa urmata de scaderea densitatii si proprietatile mecanice. Rezistenta la coroziune a fontelor este imbunatatita prin aliere cu: Si, Cr, Ni, Cu.

Rezistenta anticorosiva a fontelor aliate

In aceasta categorie se deosebesc:

a) Fonte rezistente la atacul chimic

b) Fonte rezistente la temperaturi inalte

a) Fonte rezistente la atacul chimic :

Fonte aliate cu siliciu

Siliciul este un element alfagen (ridica procentul de F_a din matricea metalica ) si un element grafitizant (anitperlitizant). Fontele cu 14,5% Si prezinta o mare rezistenta la coroziune in acid sulfuric 30% adus la punctul de fierbere. La un continut de 16,5% Si, fontele rezista la actiunea acidului azotic (HNO₃) si a acidului sulfuric (H₂SO₄) de orice concentratie aduse la temperatura de fierbere. Fontele aliate cu 14% Si nu sunt stabile in acid clorhidric (HCl) si se impune cresterea procentului de siliciu si alierea cu molibden.

Fontele silicioase sunt rezistente la actiunea acizilor organici de orice concentratie si de orice temperatura, insa sunt putin rezistente la alcalii. Fontele silicioase nu rezista la actiunea acidului fluorhidric (HFl) si a acidului sulfuros (H₂SO₃).

Fonte aliate cu crom

Cromul este element alfagen, insa formeaza usor carburi, astfel incat ferita apare ca o ferita aliata cu crom. Fontele cu 20 – 35% crom sunt foarte stabile la actiunea acizilor oxidanti; astfel ele rezista la HNO₃ de toate concentratiile la 20^oC, si la acid azotic de concentratie 70%, la temperaturi inalte. Sunt foarte stabile la acid sulfuros pana la 80^oC.

Fontele cu crom rezista in acid fosforic 80% incalzit la temperatura de fierbere. De asemenea rezista bine la actiunea apelor acide si a apei de mare.

Fonte aliate cu nichel

Nichelul este un element gamagen intrucat tinde sa creasca proportia de austenita in detrimentul feritei a. Fontele aliate cu nichel sunt aliaje cu structura austenitica la 20^oC, produse in diverse sortimente in functie de proprietatile urmarite. Fontele austenitice cu nichel si cupru sunt stabile la actiunea acizilor oxidanti medii, fiind comparabile din acest punct de vedere cu fontele silicioase. Fontele cu nichel rezista la HCl si HNO₃ la 20^oC; in HNO₃ rezista mai putin si au aceeasi comportare ca fontele nealiate; sunt stabile la actiunea corosiva a acizilor oleic, stearic, acetic. Cand procentul de nichel este mai mare de 18% , fontele aproape ca nu sunt atacate de hidroxizii alcalini.

b) Fonte rezistente la temperaturi inalte (Fonte refractare):

Se impart in :

- fonte ce se oxideaza greu la temperaturi inalte si la fenomenul de crestere

- fontele ce-si pastreaza proprietatile de rezistenta la temperaturi inalte

Fontele aliate au la baza fonte cenusi aliate cu siliciu, la care se mai adauga Cr, Ni, Mo, Al, (peste 3%). Fontele rezistente la temperaturi inalte trebuie sa fie insensibile la fenomenul de oxidare si la fenomenul de crestere, sa reziste la soc mecanic si sa se deformeze putin la temperaturi inalte. Peste 3,5% Si pana la 4%, se asigura reducerea vitezei de crestere.

Cantitatea de Cr, Mo, V produc o scadere a fenomenului de crestere. Aceste elemente formeaza carburi stabile la temperaturi inalte.

Si, Cr, Al au influenta pozitiva asupra cresterii rezistentei la oxidare pentru ca formeaza pelicule de SiO₂, Cr₂O₃, Al₂O₃ dense, compacte si aderente. Aceste elemente maresc rezistenta la soc termic al fontelor.

Fontele austenitice cu 18 % Ni si 7 %Cu, 4%Cr, rezista in solutii la oxidarea in gaze la t = 820⁰C, rezista la actiunea vaporilor de apa incalziti la 550⁰C si la gaze de sulf (?).

Fonta aliata cu Cr, Si, Ni se foloseste pana la 750⁰C.

Fontele aliate cu Al au un continut in Al de la 6-7% pana la 18 – 25%.

Fontele aliate cu Cr si Al contin 12- 25%Cr si 4 – 16 %Al. Aceste fonte au o rezistenta mai buna la coroziune in gaze aflate la temperaturi inalte, mai buna decat celelalte fonte refractare; aceste fonte se utilizeaza pe scara redusa din cauza fragilitatii ridicate.

4.Rezistenta anticorosiva a otelurilor

Otelurile se clasifica in:

1. oteluri carbon;

2. oteluri aliate: a. slab aliate

b. mediu aliate

c. inalt aliate

Otelurile carbon se comporta la coroziune ca si Fe.

Otelurile aliate au o rezistenta la coroziune mult mai buna decat otelurile carbon; se mai numesc otel inoxidabile.

Otelurile inoxidabile sunt aliaje Fe -C ce contin ca elemente de aliere Cr, Ni, Mo, Ti, Nb in diferite proportii in functie de scopul urmarit ( rezisista fata de un anumit agent corosiv de o anumita concentratie , aflat la diferite temperaturi). La un continut mai mare de 12%Cr capacitatea de pasivare a suprafata aliajului creste mult.

Daca se mai adauga Mo, Ti, Ni se imbunatateste rezistenta la coroziune .In functie de compozitie, structura, proprietati mecanice si rezistenta la coroziune, otelurile aliate se impart in:

1.oteluri aliate martensitice;

2. oteluri aliate feritice;

3. oteluri aliate austenitice;

4. oteluri aliate austenito-feritice.

Oteluri inoxidabile martensitice

Aceste oteluri contin 0,1- 0,5%C.

Ele se durifica prin calire apoi sufera o revenire inalta. In intervalul 400 – 600⁰C specific revenirii medii, are loc o precipitare fina a carburilor, care este favorabila pentru o rezistenta mecanica, dar nefavorabila din punct de vedere al coroziunii.  Datorita proprietatilor mecanice si rezistentei la coroziune otelurile martensitice se folosesc la constructia turbinelor cu abur, a pompelor, la accesorii aeronautice, in industria chimica la instalatiile de cracare a petrolului, in industria alimentara, in industria instrumentelor industriale, obiecte de uz casnic.

Otelurile inoxidabile martensitice rezista bine la HNO₃ 1%maxim, HNO₃ cu concentratii mai mici de 10%, rezista la acizi organici. Sunt stabile la actiunea hidroxizilor de Na si Ca; aceste oteluri nu se corodeaza in solutii de saruri (carbonati de Na, Mg) sau in solutii ce contin sulfati de Na sau in azotati. Aceste oteluri sunt instabile in apa de mare.

Oteluri refractare martensitice

In aceste oteluri principalele elemente de aliere sunt Cr, Si, Al, Ni. Aceste elemente confera rezistenta la temperaturi inalte datorita peliculelor de oxizi.

Cr cu un continut mai mare de 5% asigura rezistenta la oxidare, iar Si si Al largesc domeniul de utilizare al acestor oteluri atunci cand procentajul de Cr este de 2% si Al este cuprins intre 0,5 si 5%. Otelurile cu 5-6% rezista la oxidare in aer pana la 650⁰C,iar prin adaugare de Si si Al domeniul de utilizare creste la 800⁰C. Acest otel se foloseste la fabricarea coloanelor de distilare din rafinarii. Otelurile cu 70%Cr au o buna rezistenta la oxidare pana la 700⁰C; daca este aliat cu Al domeniul se largeste pana la 900⁰C.(ex.SICROMAL9 care este folosit in industria petrolului la instalatiile de cracare, ca materie prima pentru constructia incalzitoarelor si recuperatoarelor de caldura).

Otelurile cu 13%Cr rezista la oxidarea in aer, la 800⁰C, daca se adauga 2 – 3%Al domeniul se largeste pana la 1000⁰C.(ex.SICROMAL10 folosit pentru constructia paletelor de turbina, supape).

Oteluri inoxidabile feritice

Sunt denumite feritice deoarece au structura formata dintr-o solutie solida Fe- Cr cu procentaj scazut de carbon, care precipita in carburi.

Se disting doua tipuri de oteluri inoxidabile feritice si anume:

1.oteluri cu 15-18%Cr si maxim 1,2%C;

2.oteluri cu25- 30%Cr si maxim 0,3%C (rezistenta scazuta la coroziune).

Aliajul isi pastreaza structura feritica si la temperaturi inalte, cand carburile se dizolva in masa de ferita .In afara de Cr se mai adauga Cu, Ni, Si, Ti, Mo. Mo mareste rezistenta la coroziunea acestor oteluri fata de acizii organici.(ex.2%Mo duce la cresterea rezistentei otelurilor la acid acetic de orice concentratie).

Oteluri inoxidabile rezista la acizi minerali (acid azotic, acid fosforic diluat la rece), la acizi organici (acid acetic, acid formic in concentratie mai mica de 20%, acid citric, acid tartric).Rezista la actiunea solutiilor de saruri (Fe₂(SO₄)₃ sulfat feros), la actiunea solutiilor oxidante (clorati, permanganati).Otelurile sunt stabile la actiunea apei de mare pure fara organisme marine.

Oteluri refractare feritice

Otelurile cu 17%Cr rezista la oxidarea in aer (850- 900⁰C) mai ales daca se mai adauga Si in proportie de 27-30% sunt mai rezistente la coroziune in atmosfera oxidanta (1100⁰C), iar in atmosfera reducatoare sau sulfuroasa pana la 1000⁰C.

Otelurile aliate cu Cr si Al sunt o grupa speciala de oteluri cu rezistenta la oxidare si sunt utilizate ca elemente de incarcatura electrica. Cele cu 20%Cr si 3-5%Al rezista pana la 1250⁰C; iar cu 30%Cr si 5%Al rezista la 1300⁰C.

Oteluri austenitice

Datorita alierii cu Ni, aliajele Fe -C prezinta la 20⁰C structura austenitica. Ele pot prezenta la cald cantitati importante de C pe care le pot conserva prin racire.

Oteluri austenitice Cr – Ni (18-8) 18%Cr, 8%Ni

Alierea cu Si mareste rezistenta la coroziune la temperaturi inalte, iar Ti si Nb scad sensibilitatea la coroziune intercristalina.

Oteluri austenitice Cr - Ni – Mo deriva de la 18 –8 prin adaugare de 2-4% Mo(18-8 Mo); Mo creste rezistenta otelurilor Cr- Ni in H₂SO₄ sau in compusi clorurati.

Oteluri austenitice Cr - Mn; Cr – Ni - Mn

Mn are proprietatea de a actiona asupra vitezei critice de racire; mentinand la 20 ⁰C austenita formandu-se la temperaturi inalte (in lipsa Mn la racire Otelul ar deveni martensita).Otelul Cr-Mn are rezistenta scazuta la coroziunea intercristalina si are o utilizare limitata. Prin adaugare de 4-5%Ni se obtine oteluri Cr- Ni -Mn ce au o rezistenta la coroziune apropiata de otelurile 18-8.

Avantaj: se obtin aceste proprietati dar numai cu 4-5%Ni.

Se folosesc in industria chimica, fotografica, alimentara, constructii navale.

Oteluri refractare austenitice

Otelurile 18-8 au rezistenta satisfacatoare pana la 900⁰C in atmosfera oxidanta si pana la 7% in atmosfera reducatoare. Au proprietati mecanice superioare fata de otelurile feritice, daca se aliaza suplimentar cu Mo si Ti , pentru cresterea la fluaj si cu W pentru cresterea rezistentei la rupere.(stabilitatea mai mare a carburilor de Mo, Ti, W). Se folosesc la construirea recuperatoarelor de caldura, a pieselor pentru cuptor si la conducte pentru evacuarea gazelor arse.

Oteluri refractare austenitice tip 25 –12 (25% Cr, 12%Ni)

Aceste oteluri rezista la coroziune in atmosfera oxidanta la temperatura de 1200⁰C, iar in atmosfera reducatoare la temperatura de 900⁰C.Au aceleasi utilizari ca 18-8.

Oteluri refractare austenitice tip 25 –20 (25%Cr, 12%Ni, 1-2% Si)

Aceste oteluri rezista la coroziune in atmosfera oxidanta este buna la temperatura de 1100⁰C, iar in atmosfera sulfuroasa pana la temperatura de 900⁰C.Sunt superioare otelurilor 18-8. Se folosesc pentru focarelor de cuptor, a creuzetelor, a bailor de sarurilor si a camerelor de combustie.

Oteluri austenito-feritice

Daca procentajul de Cr creste pana la 20%, mentinand Ni la 8%, structura pur austenitica se transforma in structura austenito-feritica (din cauza cresterii Cr).Un efect asemanator se obtine prin introduc elemente alfagene: Mo, W, V, Ti, Si, Al. Cresterea procentajului de Cr amelioreaza rezistenta la coroziune in diverse medii corosive , iar pe de alta parte acest otel rezista bine la coroziunea sub tensiune si cea intercristalina.

Avantaj: aceste oteluri au proprietati mecanice si de sudabilitate mai bune decat otelurile austenitice. Ele se folosesc pentru fabricarea electrozilor de sudura necesare imbinarii oteluri sau austenitice; se folosesc pentru sudarea otelurilor aliate si nealiate.