Теория жаростойкого легирования

 

В химической промышленности многие металлические конструкции и изделия эксплуатируются в жестких условиях, при повышенных температурах и в агрессивных средах.

Для увеличения стойкости металлов наиболее часто используется жаростойкое легирование с целью получения сплавов, обладающих повышенной коррозионной устойчивостью.

Известно несколько теоретических концепций, определяющих выбор легирующих компонентов при создании жаростойких сплавов. Наиболее обоснованными являются три теории, предполагающие различные механизмы действия легирующей добавки.

По первой теории (теория Вагнера и Хауффе), небольшая добавка легирующего элемента окисляется и, растворяясь в оксиде основного металла, уменьшает число дефектов в кристаллической решетке основного металла. Это приводит к упорядочиванию структуры и снижает скорость диффузии ионов в защитной пленке.

Данная теория имеет ограниченную область применения, так как если скорость окисления металла определяется не диффузией ионов или при легировании в оксидной пленке образуется новая фаза, то изложенные выше предположения жаростойкого легирования неприменимы.

По второй теории (теория Смирнова и Томашова) легирующий компонент образует на поверхности сплава свой защитный оксид, препятствующий окислению основного металла. Эта теория включает следующие требования к легирующему элементу:

1) оксид легирующего элемента должен быть сплошным, т.е. его объем должен быть больше объема металла, из которого он образован;

2) оксид легирующего элемента должен иметь высокое электрическое сопротивление для того, чтобы препятствовать встречной диффузии катионов металла, электронов и ионов кислорода;

3) радиус атома легирующего элемента должен быть меньше радиуса атома основного металла. Это необходимо по двум причинам. Во-первых, параметры решетки оксида легирующего элемента с меньшим радиусом таковы, что диффузия через этот оксид атомов основного элемента предельно затруднена;

4) энергия образования оксида легирующего элемента должна быть больше, чем оксида основного металла

 

(ΔG⁰_T)Ме'_mO_mn/2 < (ΔG⁰_T)Ме_mO_mn/2  ,

 

где Me' — легирующий компонент; Me — основной металл;

5) оксид легирующего элемента должен иметь высокие температуры плавления и возгонки, а также не образовывать низкоплавкие эвтектики     в смеси с другими оксидами;

6) легирующий элемент должен при данном проценте легирования образовывать с основным металлом твердый раствор, что необходимо для равномерного распределения его в металле и образования оксидной пленки на всей поверхности сплава.

Третья теория (Данкова, Архарова и Корнилова) – это теория образования высокозащитных двойных оксидов. Согласно этой теории, повышение жаростойкости достигается а том случае, если легирующий элемент образует с основным металлом двойные оксиды типа шпинели М'О·М₂О₃·(Ме'Ме₂О₄) (здесь М', М - легирующий и основной элементы, соответственно). Эти оксиды имеют значительно более высокую защитную способность, чем оксиды каждого металла в отдельности. По этой теории элементы должны предотвратить образование на поверхности сплавов на железной основе вюститной фазы (FeO), являющейся наиболее проницаемой при диффузии ионов железа. Высокими защитными свойствами обладают оксиды FeAl₂O₄ FeCr₂O₄, NiFe₂O₄, NiCr₂O₄ и др. Более высокими защитными свойствами обладают поверхностные сложные оксиды типа FеО-Ме₂О₃ или Fe₂O₃-MeO, если легирующий компонент имеет меньший ионный радиус по сравнению с железом.

В заключении следует заметить, что изложенные теории жаростойкого легирования не противоречат друг другу.

 

Влияние внутренних и внешних факторов на скорость