Как достигается коррозионная стойкость

Основной легирующий элемент нержавеющей стали — хром (Cr). Причина коррозионной стойкости нержавеющей стали объясняется, главным образом, тем, что на поверхности нержавеющей стали при контакте с агрессивной средой, образуется плёнка, состоящая в основном из оксида трехвалентного хрома инертного к воздействию окислителей. Механизм образования защитной пленки на поверхности нержавеющей стали, называемый по-другому поверхностной пассивацией, объясняется термодинамической теорией диффузии атомов в сплавах. Согласно этой теории в следствии самодиффузии, поверхностный слой нержавеющей стали, непосредственно контактирующий с агрессивной средой обогащается атомами хрома. Благодаря своему химическому потенциалу они активнее атомов железа вступают в реакцию окисления, в результате чего образуется непроницаемая для окислителей пленка Cr2O3. Именно эта пленка является защитой основного металла от влияния агрессивной среды. Несмотря на то, что оксид трехвалентного хрома очень хрупок и тонкая защитная пленка склонна к растрескиванию под влиянием механических воздействий, она быстро регенерируется новыми атомами хрома. Однако процесс восстановления нарушенной пленки имеет ряд ограничений, связанных со скоростью диффузии атомов хрома, интенсивностью нарушения целостности пленки, шероховатостью поверхности, а также агрессивностью среды. При этом, если в местах нарушения целостности пленки Cr2O3 по какой-либо из описанных причин наблюдается дефицит атомов хрома, в реакцию окисления будут вступать атомы железа, образуя рыхлую и пропускающую агрессивную среду ржавчину, состоящую из оксида железа Fe2O3 и метагидроксида железа FeO(OH). Очаги образования ржавчины за счет свой рыхлой структуры значительно увеличивают площадь контакта металла с агрессивной средой, что в условия дефицита атомов хрома ведет к увеличению скорости коррозии.

Избежать негативного влияния дефицита хрома позволяет увеличение массовой доли хрома, либо введение в состав стали других легирующих элементов, способствующих доставке атомов хрома к поверхности и также образующих при окислении защитные пленки. Увеличение массовой доли хрома технологически ограничено охрупчиванием сталей.

Универсальным решением проблемы повышения коррозионной стойкости с учетом сохранения технологичности является легирование нержавеющих сталей никелем. Благодаря тем же механизмам самодиффузии, непосредственно под поверхностью - в подслое находится зона с повышенным по отношению к основному металлу содержанием никеля. Этот подслой во-первых "выталкивает" из себя к поверхности атомы хрома а во-вторых, несмотря на более скромные по сравнению с Cr2O3 характеристики химической инертности, образуя при контакте с окислителями оксид никеля NiO, служит дополнительным демпфером для коррозии. Кроме этого никель придает нержавеющей стали превосходную пластичность, благодаря которой стало технологически осуществимым производство всего существующего многообразия форм изделий из нержавеющей стали.

При отсутствии технологических ограничений дорогостоящий никель в роли дополнительного легирующего элемента может заменить марганец, обладающий близкими к никелю свойствами, за исключением пластичности.

Дополнительно к хрому и никелю, для увеличения коррозионной стойкости в высокоагрессивных средах в состав нержавеющей стали вводят такие металлы как молибден и медь, а для стабилизации структуры (связывания свободного углерода) – титан или ниобий. Кроме этого, для получения требуемых механических свойств, нержавеющую сталь могут легировать такими химическими элементами как кобальт, вольфрам, ванадий, алюминий, кремний, азот, бор.