Кислотостойкость некоторых сплавов к действию различных кислот

Серная кислота.При комнатной температуре высокой стойкостью в этой кислоте обладают все аустенитные нержавеющие стали (хромистые типа X17 нестойки). Примерно при 70 °С аустенитные хромоникелевые стали нестойки даже в кислотах слабой концентрации, но примерно до 5 % H₂SО₄ могут работать аустенитные стали с добавлением молибдена и меди. В кипящей серной кислоте до концентрации примерно 30 % все стали нестойки. В этих случаях следует применять сплавы типа хастеллой, а при концентрации от 30 % до 60-80 % в кипящей серной кислоте могут работать лишь тугоплавкие металлы (рисунок 11.2).

Фосфорная кислота. При комнатной температуре любой концент­рации аустенитные стали устойчивы, хромистые нет. Исключительно высокой стойкостью отличаются также ниобий и его сплавы с молибденом, алюминием и никелем. В горячей (70 °С) фосфорной кислоте устойчивы лишь сталь ЭИ943 (до концентрации 25 %), в кипящей – лишь хастеллой (до концентрации 20–50 %), а при более высокой устойчивы лишь тугоплавкие металлы. Химический состав некоторых хастеллоев приведен в таблице 11.3.

Соляная кислота.При комнатной температуре устойчива только сталь ЭИ943, но лишь в разбавленной кислоте (5 %). В кипящей кислоте концентрацией до 20 % может работать сплав хастеллой и до любой концентрации - тугоплавкие металлы. Все сплавы хастеллой содержат 5-30% Мо и 60-80% Ni, дополнительно легированы кобальтом, иногда и другими элементами. Эти сплавы должны иметь минимальное содержание углерода, так как он вызывает межкристал­литную коррозию и в этих сплавах, причем других средств борьбы с коррози­ей в этих сплавах, кроме снижения в них содержания углерода, нет.

Таблица 11.3 Химический состав сплавов типа хастеллой, %

Сплав	С	Si	Mn	Мо	Cr	W	V	Со	Fe
не более
Хастеллой В	0,05	1,0	1,0	26-30	1,0	—	0,35	2,5	4-6
ЭП496 (Н70МФ)	0,05	0,2	0,5	25-29	≤ 0,3	—	1,4-1,7	—	≤ 4,0
Хастеллой С	0,08	1,0	1,0	15-17	14,5-16,5	3-4	0,35	2,5	4-7
ЭП5б7 (ХН65МВ)	0,03	0,15	1,0	15-17	14,5-16,5	3,0-4,5	—	—	≤ 1,0
Примечание. Основа - никель.
Рисунок 11.1– Изокоры (0,1 мм/год) кислотостойких сплавов (1 – сталь марки 0Х23Н28М3Д3Т; 2 – 0Х21Н6М2Т; 3 – 0Х18Н10Т; 4 – Х18Н12М2Т; 5 – хастелой С; 6 – хастелой В) в зависимости от температуры и концентрации кислоты. Штриховая линия соответствует температуре кипения кислоты (а – НNО3; б – H2SO4; в – HCl; г – Н3РО4).

Кроме высоких коррозионных свойств, сплавы хастеллой обладают и высокими механическими свойствами (> 900МПа, σ_0,2 > 400 МПа) при вы­сокой пластичности, что делает их ценным конструкционным материалом. Еще более высокие механические свойства (σ_В ≈ 1200МПа) можно получить тер­мической обработкой, аналогично той, которую применяют для никелевых жаропрочных сплавов; закалка + старение при 800 °С. Однако максимальное упрочнение соответствует минимуму коррозионной стойкости, поэтому упроч­няющая термическая обработка рекомендуется не всегда.

Кислотостойкость конструкционных сплавов в зависимости от температуры и кон­центрации кислоты сравнивают по кри­вым равной скорости коррозии (изо­корам, рисунок 11.1).

Наиболее стойки в неокислительных кислотах, включая горячие сернокислые и солянокислые растворы, сплавы титана с высоким содержанием молибдена (30-35 %). Они разрушаются только в очень концентрированных горячих растворах этих кислот. В азотной и окислительных кислотах данный сплав стоек при низких температурах и концентрациях, при повышенных температурах его применение исключается. В этих условиях более стойкими оказываются сплавы, содержащие не более 5 % молибдена.

Кислотостойкость тугоплавких металлов. Несмотря на малую стойкость против окисления (газовой коррозии) при высоких температурах все тугоплавкие металлы являются чрезвычайно кислотостойкими. В кипящей серной кислоте – одной из наиболее агрессивных сред – кис­лотостойкая хромоникельмолибденомедистая сталь может работать при кон­центрации Н₂SО₄ до 5 %, сплав хастеллой (80 % Ni, 20 % Мо) – при концентрации до 20 %, а тантал не подвергается коррозии в кипящей серной кислоте при концентрации до 80 % (рисунок 11.2).

Из тугоплавких материалов тантал является наиболее кис­лотостойким. Ниобий по кислотостойкости превосходит сплавы на основах железа и никеля, однако уступает танталу. Использование ниобия вместо тантала представляет интерес из-за более низкой (по сравне-нию с танталом) его стоимости. Легирование ниобия позволяет изыскать технологические сплавы, по коррозионной стойкости приближающиеся к танталу.

Добавка к ниобию молибдена и тантала улучшает коррозионную стой­кость. Так как при высоком содержании молибдена. а его концентрация должна быть достаточно высока, технологическая пластич­ность падает, то перспективным является легирование ниобия танталом. Вве­дение тантала в ниобий резко повышает стойкость сплава в соляной, фосфор­ной и в кипящей серной кислотах (рисунок 11.3). Сплав Nb+25 % Та по коррозион­ной стойкости значительно превосходит чистый ниобий и приближается к тан­талу. Поскольку титан при содержании его до 10 % не ухудшает коррозионной стойкости ниобия, то рекомендуется применять тройной сплав 65 % Nb + 25 % Та + 10 % Ti. Титан также вводят для уменьшения стоимости, снижения плотности и улучшения технологичности.

Рисунок 11.2 – Скорость коррозии различных металлов в кипящей серной кислоте	Рисунок 11.3 – Влияние легирующих эле-ментов на коррозионную стойкость ниобия в кипящей 40 %-ной серной кислоте

По кислотостойкости мо­либден и вольфрам в условиях экс­плуатации в кипящих неорганических кислотах значительно превосходят ниобий и мало уступают танталу. При их стоимости, существенно мень­шей по сравнению с танталом, они явились бы весьма перспективными материалами для химического маши­ностроения. Однако технологические трудности изготовления химической аппаратуры ограничивают применение молибдена и вольфрама. Возможно изготовление аппаратуры не из ли­стов чистого молибдена, а из биме­талла: сталь + молибден (молибден – покрытие). Такой биметалличе­ский лист не только в два-три раза дешевле молибденового листа, но и обладает высокой пластичностью.

Тугоплавкие сплавы, в первую очередь тантал, сплав нио­бия с танталом и в отдельных случаях молибден, являются са­мыми кислотостойкими металлическими материалами. Их при­менение особенно целесообразно в средах, в которых другие материалы не обладают коррозионной стойкостью. К таким средам относятся неорганические крепкие кислоты при повышен­ных температурах, а также некоторые промышленные среды. Несмотря на высокую стоимость тугоплавких материалов по сравнению с такими кислотостойкими материалами, как высоколегированная нержавеющая сталь или сплав хастеллой, применение сплавов Ta–Nb, экономически оправданно, так как вследствие высокой коррозионной стойкости можно эксплуати­ровать химическую аппаратуру весь срок без замены облицовки. Следует иметь в виду, что корро­зионная стойкость в крепких кисло­тах определяется в основном химиче­ским составом сплава и мало зависит от структуры и способа производ­ства.

Рекомендуемая литература

Основная 2 [493, 497-498, 534-536]

Контрольные вопросы