Причиной повышенной коррозии отливок из чугуна является образование гальванических пар из его структурных составляющих при контакте с агрессивной средой. При этом графит играет роль катода, а металлическая основа анода. Гальванической парой, но более слабой, является цементит и металлическая основа. Аустенитная матрица имеет более низкий электрохимический потенциал в паре с графитом и цементитом, нежели перлитная или ферритная.
Легированные коррозионностойкие чугуны имеют повышенную коррозионную стойкость либо за счет предотвращения образования графита и легирования матрицы (высокохромистые чугуны), либо за счёт легирования, обеспечивающего создание на поверхности отливки пассивирующих плёнок (высококремнистые чугуны), либо за счёт создания стабильной аустенитной основы (высоконикелевые чугуны).
Различают два основных механизма коррозии – химический и электрохимический. При химической коррозии поверхностный слой металла взаимодействует с окружающей средой, вступая с ней в химические гетерогенные реакции. Этот процесс идёт без образования гальванических пар. Электрохимическая коррозия протекает в водных растворах электролита, влажных газах, расплавах солей и щелочей. Она связана с появлением электрического тока между структурными составляющими, которые являются элементами гальванических пар. При этом одновременно протекают два процесса: окислительный (растворение металла на катоде) и восстановительный (восстановление кислорода и других окислителей на аноде).
Среди структурных составляющих серого чугуна (графита, цементита, феррита) наиболее высокий электродный потенциал имеет графит (+ 0,37), а наименьший – феррит (- 0,44). Электродвижущая сила (разность потенциалов) гальванической пары феррит – графит достигает ~ 0,81 В, а пары феррит – цементит 0,1В, т.е. значительно меньше. Поэтому интенсивность электрохимической коррозии железа зависит от того, в каком виде, связанном (цементит) или свободном (графит), присутствует углерод в чугуне.
Наибольшим сопротивлением коррозии в различных агрессивных средах обладают белые чугуны, в которых весь углерод связан в карбиды. При этом коррозионная стойкость нелегированного и низколегированного белого чугуна, в свою очередь, зависит от количества углерода в нём, и, следовательно, от количества цементита. Количество возникающих гальванических пар феррит – цементит сначала растёт по мере увеличения содержания углерода, достигает максимума при равном количестве в структуре феррита и цементита, а затем снижается вследствие уменьшения количества отрицательно заряженного феррита и возрастания положительно заряженного цементита, что снижает коррозию.
Разность потенциалов гальванических пар зависит от длины включений графита, его распределения, формы, типа металлической матрицы и агрессивности среды. Для придания чугуну высокой коррозионной стойкости графит должен быть пластинчатый или округлой формы, небольших размеров и равномерно распределён в металлической основе чугуна.
Большое влияние на коррозионную стойкость чугуна оказывает легирование, которое изменяет электродный потенциал основы или приводит к образованию защитной коррозионной плёнки.
В чистых Fe - C славах при высоком содержании кремния коррозионная стойкость растёт вследствие образования богатого кремнием однородного твёрдого раствора с низким отрицательным электродным потенциалом, а также за счёт формирования на поверхности металла защитной плёнки. Малые же добавки кремния ухудшают коррозионную стойкость отливок из серого чугуна как в щелочах, так и в кислотах.
Марганец слабо влияет на коррозионную стойкость чугуна, хотя несколько улучшает её при содержание до 0,8 %. При большем содержании из-за сорбитизирующего влияния на структуру действие марганца отрицательно.
Сера снижает коррозионную стойкость чугуна вследствие образования сернистых включений MnS, FeS.
Фосфор незначительно повышает сопротивление коррозии в кислотах, нейтральных средах и в атмосфере при содержании его в чугуне до 0,4 - 0,6 %. В щелочах фосфор снижает коррозионную стойкость чугуна.
Неметаллические включения (оксиды, сульфиды, гидриды, шлаковые включения и др.) дают с железом достаточную для развития процесса коррозии разность потенциалов и в связи с этим является нежелательными.
Все технологические мероприятия, которые могут обеспечить увеличение плотности отливок, снижение содержания газов и вредных примесей (модифицирование, оптимальное охлаждение, рафинирование и др.) снижают скорость коррозии. Большое значение для обеспечения коррозионной стойкости имеет состояние поверхности отливки. Повышает коррозионную стойкость сплошная корка окалины, образовавшаяся при отжиге чугуна, литейная корка, если её сплошность не нарушена.
Коррозионная стойкость металлов и сплавов существенно зависит от их способности к пассивированию во время эксплуатации.
Пассивность – это состояние относительно высокой коррозионной стойкости металла или сплава, вызванное торможением анодной реакции ионизации металла в определённой области потенциалов за счёт образования на металлической поверхности фазовых или адсорбированных слоёв. К легко пассивирующимся металлам относится Cr, Al, Ni, Ti, W, Mo, V, Nb, Zr и др. Поэтому, легирование такими элементами чугунов, приводит к повышению их сопротивления коррозии, не только в случае образования сплавов типа твёрдых растворов, но и за счёт, например, связывания углерода в карбиды и образования защитной плёнки.
В зависимости от скорости коррозии, металлы и сплавы разбиты на группы по 10 бальной шкале. Шкала для Fe – C сплавов дана в табл. 2.1. Коррозионностойкие чугуны относятся к группам Ι, ΙΙ, ΙΙΙ.
Таблица 2.1
Шкала коррозионной стойкости для железа и его сплавов
| Характеристика стойкости | Группа стойкости | Потери массы, г/м2·ч | Балл коррозионной стойкости |
| Совершенностойкие | Ι | до 0,0009 | |
| Весьма стойкие | ΙΙ | 0,0009-0,0045 | |
| То же | ΙΙ | 0,0045-0,009 | |
| Стойкие | ΙΙΙ | 0,009-0,045 | |
| То же | ΙΙΙ | 0,045-0,09 | |
| Пониженной стойкости | ΙV | 0,09-0,45 | |
| То же | ΙV | 0,45-0,9 | |
| Малостойкие | V | 0,9-4,5 | |
| То же | V | 4,5-9,1 | |
| Нестойкие | VΙ | свыше 9,1 |