Изучение коррозионной стойкости некоторых материалов в расплавах, содержащих низшие хлориды титана

ХИМИЯ

Вестн. Ом. ун-та. 2013. № 2. С. 118-121.

УДК 620.193

О.А. Дубовиков, И.И. Иванов, А.А. Кужаева, Л.В. Григорьева, П.В. Згонник

ИЗУЧЕНИЕ КОРРОЗИОННОЙ СТОЙКОСТИ НЕКОТОРЫХ МАТЕРИАЛОВ В РАСПЛАВАХ, СОДЕРЖАЩИХ НИЗШИЕ ХЛОРИДЫ ТИТАНА

Изучена коррозионная стойкость ряда металлов (Ст. 3, 1Х18Н9Т, ЭИ-868, чистые Ti, Ni, Mo) в растворах, содержащих низшие хлориды титана. Показано, что характер и скорость коррозии зависят от химического состава сплава. Наиболее подвержены коррозии сплавы, содержащие Cr. Получены данные по сравнительной коррозионной стойкости указанных материалов в солевых средах.

Ключевые слова: коррозионная стойкость, сплав, хлориды титана, скорость коррозии.

Вопрос устойчивости сталей и металлов в расплавах, содержащих хлориды титана, представляет значительный интерес, особенно при получении титана повышенной чистоты. В работе [1] установлено, что скорость коррозии сталей в основном определяется составом среды: самым активным компонентом является хлорид титана (IV), а затем хлорид титана (III). Высокое содержание в расплаве хлорида титана (II) ведёт к его диспропорционированию на поверхности стали и образованию металлического и интерметаллического покрытий. Сопоставлением различных видов сталей (Ст. 3, 1Х18Н9Т, 2Х13) показано что Ст. 3 в расплавах, содержащих хлорид титана (III), более устойчива, чем другие марки, которые обнаруживают избирательное растворение хрома. Применительно к чистым металлам авторы установили снижение коррозионной стойкости в ряду: Ni, Mo, Cr, V, Mn. С.И. Степанов [2] отмечает, что коррозия металлов в расплавленных хлоридах имеет в основном электрохимический характер и избирательное растворение некоторых компонентов металлических сплавов можно объяснить различием электрохимических потенциалов этих элементов. О влиянии температуры и продолжительности процесса восстановления, а также содержания хлорида титана (III) в расплаве на коррозию сталей сообщается в работе С.В. Александровского [3]. Уменьшение относительного содержания двухлористого титана усиливает коррозию конструкционных сталей.

Все указанные исследования коррозионной стойкости материалов выполнены в статических условиях, где, как известно, определяющую роль играют диффузионные процессы. Поскольку при металлотермиче-ском получении и очистке от примесей расплавы интенсивно перемешиваются, представлялось необходимым выяснить влияние этого фактора на коррозионную стойкость конструкционных материалов.

Изучение коррозии конструкционных материалов в расплавах в условиях перемешивания осуществлялось с использованием методики и установки, описанной в работе [4], при температуре 800 °C и интенсивности встряхивания ампулы 240 колебаний в минуту при времени экспозиции 30 минут.

Как видно из полученных данных (табл. 1), наиболее агрессивным компонентом использованных расплавов является хлорид титана (III): расплав из хлорида натрия и треххлористого титана оказывает значительное коррозионное воздействие на все исследованные материалы, кроме молибдена и никеля.

Из данных рис. 1 следует, что, несмотря на существенное различие в скоростях разрушения титана и Ст. 3, коррозия этих материалов в расплавах, образованных треххлористым титаном, в начальный период взаимодействия характеризуется величинами одного порядка и со временем выравнивается.

© О.А. Дубовиков, И.И. Иванов, А.А. Кужаева, Л.В. Григорьева, П.В. Згонник, 2013

Таблица 1 Сводные данные исследования

коррозионной стойкости конструкционных материалов

Материал образца Состав использованного образца, мас. % Скорость коррозии,

ТЮЬ ТЮЬ N80! мг/см2 час

40 - 60 110.6

Ст. 3 - - 100 2.1

- 50 50 0

40 - 60 164.2

1Х18Н9Т - 50 50 0

- - 100 1.3

40 - 60 28.4

ЭИ-868 - 50 50 5.2

- - 100 2.9

Т1 40 - 60 30

- - 100 8.8

N1 40 - 60 0.5

Мо 40 - 60 0

Из приведенных ниже данных (табл. 2) следует, что коррозионное разрушение 1Х18Н9Т и ЭИ-868 в значительной мере происходит за счет избирательного растворения хрома.

Таблица 2

Материал образца Состав соленой среды до опыта, мас.% Содержание примесей1 в расплаве после опыта, мас.%

ТЮ!3 N80! 0г N1

1Х18Н9Т 40 60 1.06 следы

ЭИ-868 40 60 0.44 0,47

Никель в расплаве обнаружен только при испытаниях ЭИ-868, который составляет основу данного сплава. По-видимому, переход никеля в расплав в этом случае происходит вместе с хромом за счет некристаллической коррозии. Отсутствие никеля в расплавах, в которых производилось исследование коррозионной стойкости нержавеющей стали, можно объяснить его цементацией хромом, содержащемся в этом материале в относительно большом количестве.

Результаты проведенных исследований подтверждают данные В.Г. Гопиенко и С.В. Александровского о коррозионном воздействии треххлористого титана на Ст. 3. В условиях интенсивной агитации солевой среды это влияние значительно усиливается, что видно из следующих данных (табл. 3).

Таблица 3

Сравниваемые данные Скорость коррозии, мг/см2 час

Наши В.Г. Гопиенко [1] С.В. Александровского [3] 110,6 16,0 8,0

С целью получения дополнительных данных о коррозионном разрушении конструкционных материалов в расплавах, содержащих треххлористый титан, были проведены исследования с использованием метода вращающегося диска с равнодоступной поверхностью [5]. В качестве исходных образцов конструкционных материалов использовали Ст. 3, 1Х18Н9Т, ЭИ-868. Погружённый в расплав образец конструкционного металла вращался с заданной скоростью в течение определённого времени, после чего его поднимали, охлаждали, отмывали от хлористых солей, сушили и взвешивали.

Скорость растворения определяли по убыли веса:

Ат V =-,

где V - скорость растворения, мг/см2 • мин; Дш - убыль веса, мг; $ - поверхность рабочей части образца, контактирующей с расплавом, см2; Т - экспозиция, мин.

Продолжительность контакта материала с расплавом подбирали опытным путём, исходя из условий получения достаточной убыли веса, позволяющей пренебречь количеством растворённого металла, отвечающим известным условиям метода вращающегося диска [5].

Рис. 1. Изучение коррозии (Ст. 3 и ВТ-1) в расплаве, содержащем треххлористый титан:

1) ВТ-1; 2) Ст. 3

120

О.А. Дубовиков, И.И. Иванов, А.А. Кужаева, Л.В. Григорьева, П.В. Згонник

Установлено, что для всех исследуемых материалов время экспозиции в расплаве, содержащем 4 мас. % Т можно менять в интервале 1-10 мин.

При изменении скорости вращения диска от 240 до 830 об/мин наблюдается линейная зависимость скорости растворения титана от квадратного корня из скорости вращения (рис. 2), что, по-видимому, является следствием ламинарного режима обтекания диска.

Рис. 2. Зависимость скорости растворения титана от угловой скорости вращения образца: А) скорость растворения, мг/см^мин;

Б) угловая скорость вращения образца , I

, мин-

На рис. 3 приведены обобщённые данные, которые позволяют характеризовать коррозионную стойкость материалов. Для сопоставления на этом же рисунке показана

интенсивность разрушения образцов из компактного титана (ВТ-1).

С увеличением времени экспозиции скорость разрушения образцов из ВТ-1, Ст. 3, ЭИ-868 снижается, что, вероятно, обусловлено пассивированием поверхности диска вследствие накопления на нём веществ с низкой реакционной способностью. Это, видимо, в основном вызвано образованием окисных и нитридных пленок. Аномальным по отношению к другим материалам является поведение образца из нержавеющей стали, скорость разрушения которого во времени вначале возрастает, а потом стабилизируется на некотором довольно высоком уровне. Такое явления может быть вызвано высокой скоростью взаимодействий с расплавом одного из основных составляющих нержавеющей стали - хрома.

Таким образом, полученные данные свидетельствуют, что наиболее стойким конструкционным материалом в расплавах, обогащенных треххлористым титаном, является ЭИ-868. Учитывая его высокую жаропрочность, этот материал может быть использован для изготовления запорно-регулирующей арматуры. При значительном времени экспозиции коррозионная стойкость Ст. 3 и ЭИ-868 характеризуется близкими величинами. Скорость разрушения титана в 5-10 раз выше, чем всех других исследованных материалов.

Рис. 3. Зависимость скорости разрушения некоторых конструкционных материалов от продолжительности контакта с расплавом из хлористого натрия и треххлористого титана: 1) ЭИ-868; 2) 1Х18Н9Т; 3) Ст. 3; 4) ВТ-1

Результаты выполненных исследований согласуются с данными исследований взаимодействия образца с расплавов в герметичной, интенсивно встряхиваемой кварцевой ампуле.

Из полученных результатов следует, что применение высокохромистых сталей при изготовлении аппаратуры для расплавов, обогащенных треххлористым титаном, нежелательно.

ПРИМЕЧАНИЕ

1 Продолжительность взаимодействия 30 мин. ЛИТЕРАТУРА

[1] Гопиенко В. Г., Гопиенко Г. Н., Тимофеев В. В., Подушкин Д. И. Поведение сталей в распла-

вах, содержащих хлориды титана // ЖПХ. 1966. Т. 39. № 6. С. 1249.

[2] Степанов С. И. Физическая химия расплавленных солей. М. : Металлургия, 1965. С. 340.

[3] Александровский С. В. Исследование двухста-дийного процесса восстановления четырех-хлористого титана натрием : автореф. дис. ... канд. техн. наук. Л., 1976. С. 15.

[4] Сандлер Р. А., Александровский С. В. Кинетические характеристики цементации алюминия на металлическом титане в среде хлористого натрия // Изв. Вуз. Цветная металлургия. 1976. № 5. С. 31-35.

[5] Левин В. Г. Физико-химическая термодинамика. М. : Физматгиз, 1959. 699 с.