Improvement of corrosion and mechanical properties of amorphous steels by microalloying and nanocrystallization

Abstract

Los aceros amorfos que contienen cantidades óptimas de cromo son muy atractivos para aplicaciones prácticas debido a su comportamiento frente a la corrosion. Estas aleaciones tienen extraordinarias propiedades de resistencia a la corrosión incluso en ambientes hostiles. Todas las composiciones de aceros amorfos estudiados hasta ahora por su resistencia a la corrosión tienen una cantidad relativamente grande de Cr y una consecuencia es la reducción de la capacidad de fromación del vidrio (GFA). También las propiedades mecánicas de los vidrios metálicos son altamente sensibles a los cambios de composición. Se ha hecho un estudio detallado sobre el efecto de la baja cantidad de Cr en la GFA, la resistencia a la corrosión y el comportamiento mecánico con el fin de determinar la cantidad óptima de Cr necesario para obtener una buena resistencia a la corrosión y buenas propiedades mecánicas, manteniendo la GFA. La composición mostró drásticamente diferentes efectos en las diferentes propiedades de la aleación en función de la cantidad de Cr. Los resultados muestran que las aleaciones de Fe-Cr-Mo-C-B con notable GFA, alta estabilidad térmica, alta dureza, así como superior resistencia a la corrosión y resistencia al desgaste se pueden conseguir con adiciones de Cr con cerca de 5 at.%. Aleaciones con contenido superior de Cr (Cr6% at.) son mejores candidatos sólo para aplicaciones donde la plasticidad no es un problema y el material se expone a ambientes agresivos. Aunque las aleaciones con contenidos relativamente bajos de Cr exhibieron la mejor plasticidad entre todas las aleaciones estudiadas, su alta tendencia a corroer limita sus aplicaciones a entornos inertes. Las propiedades químicas de los vidrios metálicos están estrechamente relacionadas con su estructura única amorfa, por eso fueron investigadas las transformaciones estructurales térmicamente inducidas (relajación y cristalización) y su efecto sobre la resistencia a la corrosión. Mediciones electroquímicas de las muestras tratadas térmicamente revelaron una fuerte dependencia de la resistencia a la corrosión en la transformación structural. Aunque la relajación estructural mejoró la resistencia a la corrosión mediante la formación de un vidrio más ideal, la mejor resistencia a la corrosión se obtuvo para la muestra con nanocristales ricos en Cr incrustados en una matriz amorfa. La precipitación de una segunda fase cristalina (rica en Mo) tuvo un efecto perjudicial sobre la resistencia a la corrosión pero las aleaciones exhibieron buenas propiedades anticorrosivas hasta que los granos ricos en Mo excedieron el límite crítico de 50 nm y el capa pasiva rica en Cr no era capaz de cubrirlos completamente.

Amorphous steels containing optimal quantities of chromium are very attractive for practical applications due to their corrosion behavior. These alloys have extraordinary corrosion resistant properties even in hostile environments. All the amorphous steels compositions studied so far for their corrosion resistance have a relatively large amount of Cr and one consequence is the reduction of the glass forming ability (GFA). Also mechanical properties of metallic glasses are highly sensitive to composition change. A detailed study on the effect of low amount of Cr on the glass forming ability, corrosion resistance and mechanical behavior has been done in order to determine the optimal amount of Cr needed to obtain good corrosion and mechanical properties while maintaining a high GFA. The composition showed drastically different effects on the different properties of the alloy depending on the amount of Cr. The results show that Fe–Cr–Mo–C–B alloys with remarkable GFA, high thermal stability, high hardness, as well as superior corrosion and wear resistance can be obtained with Cr additions near 5 at.%. Higher Cr-content (Cr˃6 at.%) alloys are better candidates only for applications where plasticity is not an issue and the material is exposed to aggressive environments. Although alloys with relatively low Cr contents exhibited the best plasticity among all the studied alloys, their high tendency to corrode limits their applications to inert environments. The chemical properties of metallic glasses are closely related to their unique amorphous structure so thermally induced structural transformations (structure relaxation and crystallization) and their effect on the corrosion resistance were investigated. Electrochemical measurements of the heat treated samples unveiled a strong dependence of corrosion resistance on structural transformation. Although structural relaxation improved the corrosion resistance by forming a more ideal glass, the best corrosion resistance was obtained for the sample showing a structure consisting of nanocrystalline Cr-rich phase embedded in an amorphous matrix. Precipitation of a second crystalline phase (Mo-rich) had a detrimental effect on corrosion resistance but the alloys exhibited good anticorrosion properties until the Mo-rich grains exceed the critical limit of 50 nm, where the Cr-rich passive film was not able to cover them completely