Теоретическое введение. Жаростойкость – это способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах

Жаростойкость – это способность металла сопротивляться коррозионному воздействию газов при высоких температурах.

В тех случаях, когда в газовой среде при данных температуре и парциальном давлении кислорода или другого окислителя энергия Гиббса системы возрастает или не изменяется, т.е. Δ G_T ³ 0, жаростойкость металла обусловлена его термодинамической устойчивостью. Отрицательное значение Δ G_T определяет степень реакционной способности металла: чем оно отрицательнее; тем вше химическое сродство металла к окислителю и термодинамическая устойчивость продуктов коррозии.

Жаростойкость металлов в значительной степени зависит от защитных свойств образующихся пленок. При кинетическом контроле процесса газовой коррозии (замедленность химической реакции взаимодействия металла с окислительными компонентами, т.е. в случае образования незащитных пористых пленок, жаростойкость определяется природой металла; при диффузионном контроле процесса (замедленность диффузии ионов металла и окислителя в образовавшейся пленке продуктов коррозии) – свойствами защитной сплошной пленки, т.е. способностью затруднять миграцию реагентов друг к другу, осуществляемую в большинстве случаев путем их диффузии через эту пленку.

Для повышения сопротивления металлов и сплавов высокотемпературному воздействию газов применяют жаростойкое легирование – введение в состав металлов компонентов, улучшающих защитные свойства образующихся оксидных пленок. Существуют три наиболее обоснованные теории жаростойкого легирования, описывающие изменение свойств оксидной пленки в зависимости от механизма воздействия легирующего элемента: теория уменьшения дефектности образующейся окалины; теория образования защитного оксида легирующего элемента; теория образования оксидов типа шпинели. В первом случае ионы легирующего элемента, растворяясь в оксиде основного металла, уменьшают концентрацию дефектов его решетки, что вызывает уменьшение скорости газовой коррозии, контролируемой диффузией ионов. Согласно второй теории, образующийся на поверхности оксид легирующего элемента (например, BeO на бериллиевой бронзе, ZnO на латуни и др.) должен затруднять диффузию реагентов и уменьшать скорость окисления основного металла. Третья теория основана на представлении об образовании шпинелей Me’Me”₂O₄ (FeCr₂O₄ на хромистых сталях, FeCr₂O₄, NiFe₂O₄, NiCr₂O₄ на хромоникелевых сталях, NiCr₂O₄ на нихроме), в состав которых входят как основной, так и легирующий компоненты. Высокие защитные свойства этих оксидов связывают с низкой скоростью диффузии ионов вследствие высокой плотности упаковки этих структур, защитные свойства которых тем выше, чем меньше параметр решетки. Перечисленные теории выдвигают ряд условий к выбору легирующих элементов: необходимость большего сродства к кислороду, чем у основного металла; соблюдение условия сплошности у оксида легирующего металла; определенное соотношение валентностей ионов основного и легирующего компонентов и другие. Каждое из этих требований является необходимым, но недостаточным для повышений жаростойкости металлов, взятые же в совокупности они составляют основу для рационального выбора легирующих элементов.

Необходимая степень жаростойкости металла или сплава установлена стандартами или техническими условиями на соответствующие изделия и детали, изготовленные из них и предназначенные для эксплуатации в соответствующих условиях.