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不锈钢的耐腐蚀性能
来源:原创 | 作者:hmfjxwb许文斌 | 发布时间: 2010-12-31 | 667 次浏览 | 分享到:
不锈钢的耐腐蚀性能一般随铬含量的增加而提高。其基本原理是,当钢中有足够的铬时,在钢的表面形成非常薄的至密的氧化膜,它可以防止进一步的氧化或义腐蚀。氧化性的环境可以强化这种膜,而还原性环境则必然破坏这种膜,造成钢的腐蚀。 (一)在各种环境中的耐腐蚀性能 (二)腐蚀现象

不锈钢的耐腐蚀性能
  
 (一)在各种环境中的耐腐蚀性能
  1.大气腐蚀
  不锈钢耐大气腐蚀基本上是随大气中的氯化物的含量而变化的。因此,靠近海洋或其他氯化物污染源对不锈钢的腐蚀是极为重要的。一定量的雨水,只有对钢表面的氯化物浓度起作用时才是重要的。
  农村环境 1Cr13、1Cr17和奥氏体型不锈钢可以适应各种用途,其外观上不会有显著的改变。因此,在农村暴露使用的不锈钢可以根据价格,市场供应情况,力学性能、制作加工性能和外观来选择。
  工业环境 在没有氯化物污染的工业环境中,1Cr17和奥氏体型不锈钢能长期工作,基本上保持无锈蚀,可能在表面形成污膜,但当将污膜清除后,还保持着原有的光亮外观。在有氯化物的工业环境中,将造成不锈钢锈蚀。
  海洋环境 1Cr13和1Cr17不锈钢在短时期就会形成薄的锈膜,但不会造成明显的尺寸上的改变,奥氏体型不锈钢如1Cr17Ni7、1Cr18Ni9和0Cr18Ni9,当暴露于海洋环境时,可能出现一些锈蚀。锈蚀通常是浅薄的,可以很容易地清除。0Cr17Ni12M02含钼不锈钢在海洋环境中基本上是耐腐蚀的。
  除了大气条件外,还有另外两个影响不锈钢耐大气腐蚀性能的因素。即表面状态和制作工艺。精加工级别影响不锈钢在有氯化物的环境中的耐腐蚀性能。无光表面(毛面)对腐蚀非常敏感。即正常的工业精加工表面对锈蚀的敏感性较小。表面精加工级别还影响污物和锈蚀的清除。从高精加工的表面上清除污物和锈蚀物很容易,但从无光的表面上清除则很困难。对于无光表面,如果要保持原有的表面状态则需要经常的清理。
  2.淡水
  淡水可定义为不分酸性、盐性或微咸,来源于江河、湖泊、池塘或井中的水。
  淡水的腐蚀性受水的pH值、氧含量和成垢倾向性的影响。结垢(硬)水。其腐蚀性主要由在金属表面形成垢的数量和类型来决定。这种垢的形成是存在其中的矿物质和温度的作用。非结垢(软)水,这种水一般比硬水的腐蚀性强。可以通过提高pH值或减少含氧量来降低其腐蚀性。
  1Cr13不锈钢明显地比碳素钢耐淡水腐蚀,而且在淡水中使用有极好的特征。这种钢广泛用于例如需要高强度和耐腐蚀的船坞和水坝等用途。然而,应当考虑到在某些情况下。1Cr13在淡水中可能对中度点蚀敏感.但是点蚀完全可以用阴极防蚀方法来避免。1Cr17和奥氏体型不锈钢在室温(环境温度)几乎完全可以耐淡水腐蚀。
  3.酸性水
  酸性水是指从矿石和煤浸析出的被污染的自然水,由于是较强的酸性所以其腐蚀性比自然淡水强得多。,由于水对矿石和煤中所含硫化物的浸析作用,酸性水中通常含有大量的游离硫酸,此外,这种水含有大量的硫酸铁,对碳钢的腐蚀有非常大的作用。
  受酸性水作用的碳钢设备通常很快被腐蚀。用受酸性河水作用的各种材料所做试验的结果表明,在这种环境下奥氏体型不锈钢有较高的耐腐蚀性能。
  奥氏体型不锈钢在淡水和酸性河水中有极好的耐腐蚀性能,特别是其腐蚀膜对热传导的阻碍较小,所以在热交换用途中广泛使用不锈钢管。
  4.盐性水
  盐性水的腐蚀特点是经常以点蚀的形式出现。对于不锈钢,在很大程度上是由于盐性水导致起耐腐蚀作用的钝化膜局部破坏。这些钢发生点蚀的其他原因是附着于不锈钢设备上的茗荷介和其他海水有机物可形成报送的浓差电池。一旦形成,这些电池非常活跃,并且造成大量腐蚀和点蚀。在盐性水高速流动的情况下,例如泵的叶轮,奥氏体型不锈钢的腐蚀通常是非常小的。
  对使用不锈钢管的冷凝器,需保持水流速大于1.5m/s,以使海水有机物和其他固体在管中集聚得最少。对处理盐性水的不锈钢设备的结构,在设计时最好是减少缝隙和使用厚壁部件。
  5.土壤
  埋入土壤中的金属,取决于天气和其他因素,处于随时都在变化的复杂的状态下。实践证明,奥氏体型不锈钢一般具有极好的耐大多数土壤腐蚀的性能,而1Cr13和1Cr17则在很多土壤中要产生点蚀。0Cr17Ni12Mo0不锈钢在所有土壤的试验中完全可以耐点蚀。
  6.硝酸
  含铬不小于14%的铁素型不锈钢和奥氏体型不锈钢有极好的耐硝酸腐蚀的性能。1Cr17不锈钢己广泛用于硝酸工厂的加工设备。然而,由于0Cr18Ni9通常具有较好的成形性能和焊接性能,因此在上述用途中己大量取代了1Cr17不锈钢.
  其他奥氏体型不锈钢的耐硝酸腐蚀性能与0Cr18Ni9相近。0Cr17不锈钢通常比0Cr18Ni9的腐蚀速率稍高,并且较高的温度和浓度对其有较大的有害影响。
  如果对钢进行的热处理不适当,热硝酸将使奥氏体和铁素体型不锈钢产生晶间腐蚀,因此,可用适当的热处理来预防这种类型的腐蚀,或者使用耐这种类型腐蚀的不锈钢。
  7.硫酸
  标准不锈钢牌号很少用于硫酸溶液,因为其可使用的范围很窄。在室温条件下,0Cr17Ni12Mo2不锈钢(最耐硫酸蚀的标准牌号)在硫酸浓度小于15%。或大于85%时是耐腐蚀性的。然而在较高的浓度范围,通常使用碳钢。马氏体和铁素体型不锈钢一般不耐硫酸溶液腐蚀。
  如同硝酸的情况一样,如果对不锈钢不进行适当的处理,硫酸可造成晶间腐蚀。对于焊接后不能进行热处理的焊接结构,应使用低碳牌号00Cr19Ni10或00Cr17Ni14M02,或稳定化的牌号0Cr18Ni11Ti或0Cr18Ni11Nb不锈钢.
  8.磷酸
  奥氏体型不锈钢不锈钢具有好的耐磷酸溶液腐蚀的性能,并广泛用于磷酸的生产和处理设备。在温度最高达107℃的各种浓度的情况下,其具有有效的耐腐蚀性能。在温度最高约达95℃的情况下,用0Cr17Ni12M02不锈钢的设备可以很好地处理(达磷酸)“超过100%H3p04)。
  应注意,氟化物或氯化物盐类微量杂质有时存在于用湿法工艺生产的磷酸中。酸中的这些卤化物的存在可能对不锈钢的耐腐蚀性能有有害的影响。
  马氏体和铁素体型不锈钢的耐磷酸腐蚀性能显著地比奥氏体不锈钢要差,因此一般不用于这种酸。
  9.盐酸
  甚至在室温,各种浓度的盐酸溶液都很快地腐蚀不锈钢。因此在这种酸中不可能使用不锈钢。
  10、其他无机酸
  奥氏体型不锈钢在几乎各种浓度和温度下一般都具有好的耐硼酸、碳酸、氯酸和铬酸腐蚀的性能,100%氯酸除外。1Cr13和1Cr17不锈钢对铬酸的耐腐蚀性能显著地不如奥氏体型不锈钢,但具有相对较好的耐硼酸和碳酸腐蚀的性能。
  11、乙酸
  奥氏体型不锈钢一般有极好的耐乙酸腐蚀的性能,而马氏体和铁素体型不锈钢对大多数耐乙酸腐蚀的用途是不适当的。奥氏体型不锈钢在室温完全可以耐各种浓度乙酸的腐蚀,在较高的温度,0Cr17Ni12Mo2和0Cr19Ni13M03比其他奥氏体型不锈钢有更好的耐乙酸腐蚀性能。
  12、甲酸
  在室温情况下,可以用任何奥氏体型不锈钢完全地处理甲酸。然而,当是热的甲酸时,它可以很快地腐蚀不含钼的不锈钢,因此,需要使用0Cr17Ni12M02和0Cr19Ni13M03。在各种温度下甲酸都会很快地腐蚀马氏体和铁素体型不锈钢。
  13、草酸
  一般情况下,在室温、最高浓度至少为50%时,不锈钢有好的耐草酸腐蚀的性能。然而在较高的温度,草酸溶液正如在室温、浓度为100%时一样,对所有的不锈钢都会有相当的腐蚀。
  14、乳酸
  0Cr18Ni9不锈钢在温度最高约达38℃时可用于乳酸贮存设备。在较高的温度,无钼奥氏体型不锈钢产生点蚀,所以优先选用  0Cr17Ni12M02和0Cr19Ni13M03。马氏体和铁素体型不锈钢一般来说耐乳酸腐蚀的能力较低。
  15、碱
  不锈钢通常有较好的耐弱碱腐蚀的性能,例如氢氧化铵。对于强碱,如氢氧化钠和氢氧化钾,在温度最高约为105℃、浓度最高约为50%时,奥氏体型不锈钢有好的耐腐蚀性能,在较高的温度和浓度,腐蚀速率可能变得显著。当温度高于常压沸点(和稍低的温度,接近50%浓度)时,奥氏体型不锈钢就会出现应力腐蚀裂纹。
  16、盐酸液
  除在某些条件下的卤化物溶液之外,不锈钢一般来说有极好的耐盐酸溶液腐蚀的性能,对于酸性盐,不锈钢的耐腐蚀性能在一定程度上必然受盐水解所形成的特殊的酸的影响。对于较高温度的酸性盐溶液,含钼奥氏体型不锈钢(0Cr17Ni12Mo2和0Cr19Ni13Mo3)通常比其他牌号不锈钢耐腐蚀性能要好。
  在不锈钢用于卤化物溶液,特别是氯化物溶液时,应考虑到即使腐蚀速率一般较低,但点蚀和(或)应力腐蚀裂纹在一定条件下也可能产生。尽管有很多在有氯化物的情况下使用不锈钢取得极好的效果(如食品加工设备和在相对低的温度条件下流动的海水)但必需分别考虑各种用途。点蚀或应力腐蚀裂纹是否产生,取决于环境和设备设计及操作等方面很多和因素。
 (二)腐蚀现象
  1.点蚀
  如前所述,不锈钢极好的耐腐蚀性能是由于在钢的表面形成看不见的氧化膜,使其成为是钝态的。该钝化膜的形成是由于钢暴露在大气中时与氧反应,或者是由于与其他含氧的环境接触的结果。如果钝化膜被破坏,不锈钢就将继续腐蚀下去。在很多情况下,钝化膜仅仅在金属表面和局部地方被破坏,腐蚀的作用在于形成细小的孔或凹坑,在材料表面产生无规律分布的小坑状腐蚀。
  2.引起点蚀的因素
  出现点蚀很可能是存在与去极剂化合的氯化物离子,不锈钢等钝态金属的点蚀常起因于某些侵蚀性阴离子对钝化膜的局部破坏,保护有高耐腐蚀性能的钝态通常需要氧化环境,但正好这也是出现点蚀的条件。产生点蚀的介质是在C1-、Br-、I-、Cl04-溶液中存在FE3+、Cu2+、Hg2+等重金属离子或者含有H2O2、O2等的Na+、Ca2+碱和碱土金属离子的氯化物溶液。
  点蚀速率随温度升高而增加。例如在浓度为4%-10%氯化钠的溶液中,在90℃时达到点蚀造成的重量损失最大;对于更稀的溶液,最大值出现在较高的温度。
  3.防止点蚀的方法
  ①避免卤素离子集中。
  ②保证氧或氧化性溶液的均匀性,搅拌溶液和避免有液体不流动的小块区域。
  ③或者提高氧的浓度,或者去除氧。
  ④增加pH值。与中性或酸性氯化物相比,明显碱性的氯化物溶液造成的点蚀较少,或者完全没有(氢氧离子起防腐蚀剂的作用)。
  ⑤在尽可能低的温度下工作。
  ⑥在腐蚀性介质中加入钝化剂。低浓度的硝酸盐或铬酸盐在很多介质中是有效的(抑制离子优先吸咐在金属表面上,因此防止了氯化物离子吸咐而造成腐蚀)。
  ⑦采用阴极防腐。有证据表明,用与低碳钢、铝或锌电隅合阴极保护的不锈钢在海水中不会造成点蚀。
  含钼2%-4%的奥氏体型不锈钢具有良好的耐点蚀性能。使用含钼奥氏体型不锈钢可显著减少点蚀或一般腐蚀,腐蚀介质例如氢化钠溶液、海水、亚硫酸、硫酸、磷酸和甲酸。
  4.晶间腐蚀
  含碳量超过0.03%的不稳定的奥氏体型不锈钢(不含钛或铌的牌号),如果热处理不当则在某些环境中易产生晶间腐蚀。这些钢在425-815℃之间加热时,或者缓慢冷却通过这个温度区间时,都会产生晶间腐蚀。这样的热处理造成碳化物在晶界沉淀(敏化作用),并且造成最邻近的区域铬贫化使得这些区域对腐蚀敏感。敏化作用也可出现在焊接时,在焊接热影响区造成其后的局部腐蚀。
  最通用的检查不锈钢敏感性的方法是65%硝酸腐蚀试验方法。试验时将钢试样放入沸腾的65%硝酸溶液中连续48h为一个周期,共5个周期,每个周期测定重量损失。一般规定,5个试验周期的平均腐蚀率应不大于0.05mm/月。
  奥氏体型不锈钢焊接结构的晶间腐蚀可用如下方法预防:
  ①使用低碳牌号00Cr19Ni10或00Cr17Ni14Mo2,或稳定的牌号0Cr18Ni11Ti或0Cr18Ni11Nb.使用这些牌号不锈钢可防止焊接时碳化物沉淀出造成有害影响的数量。
  ②如果面品结构件小,能够在炉中进行热处理,则可在1040-1150℃进行热处理以溶解碳化铬,并且在425-815℃区间快速冷却以防止瑞沉淀。
  焊接铁素体不锈钢在某些介质中也可能出现晶间腐蚀。这是当钢从925℃以上快速冷却时,碳化物或氧化物沉淀,金属晶格应变造成的,焊接后进行消除应力热处理可消除应力并恢复耐腐蚀性能。在1Cr17不锈钢中加入超过8倍碳含量的钛,通常可减少焊接钢结构在一些介质中的晶间腐蚀。然而加入钛在浓硝酸中不是有效的。
  5.应力腐蚀裂纹
  应力腐蚀裂纹是静应力和导致裂纹与金属脆化的腐蚀共同的作用。只有拉伸应力造成这种形式的破坏。事实上,所有的金属与合金(只有极少数的金属除外)在某些环境中都易出现应力腐蚀裂纹,关于某些金属的破坏是属于“应力腐蚀”或是属于“氢脆”(例如高强度钢在硫化氢中的裂纹),还存在一些不同的观点。为了进行讨论,所有这样的外界环境导致的破坏都包括在应力腐蚀裂纹一类中。
  硬化的(淬火和回火)马氏体型不锈钢在含有氯化物、热氢氧化物或硝酸盐、或硫化氢溶液中对应力腐蚀裂纹是敏感的。对于奥氏体型不锈钢,浓氯化物的氢氧化物溶液是造成应力腐蚀裂纹的主要介质。己证明,另外几种环境也会使奥氏体和马氏体型不锈钢产生应力腐蚀裂纹。然而,应注意在很多这样的环境中,存在杂质可能己经造成了裂纹。
  敏化的奥氏体型不锈钢对晶间形式的应力腐蚀裂纹是敏感的。如果敏感性严重和(或)应力高, 这种形式的裂纹可能在认为是弱的环境中产生。除非进行了足够的试验可以证明所遇到的环境不会造成晶间应力腐蚀裂纹,否则绝不能将敏化和奥氏体型不锈钢用于应力状态的用途。
  产生应力腐蚀裂纹破坏的环境通常是相当复杂的。例如。所涉及的应力通常不仅仅是工作应力,而是这种应力的由于制作、焊接、或热处理在金属中产生的残余应力组合。这种情况常常可以用将制作后的设备消除应力的方法来减轻。同档,如上所述,造成裂纹的腐蚀介质经常仅仅是正在处理的产物中的杂质。在整体溶液中,所存在的腐蚀介质的数量可能没有多到足以造成裂纹的程度,但是在裂缝处或液体上面的飞溅区,介质的局部浓度可能造成破坏。
  尽管己有了几种通用的防止应力腐蚀裂纹的方法,但最好的方法还是选用能在该环境中耐应力腐蚀裂纹的材料。因此,在热的氯化物环境中应选用0Cr18Ni13Si4(美国AISLX M15)或铁素体型不锈钢。在硫化氢环境中选用铁素体和奥氏体型不锈钢一般是适合的,而不能选用硬化的马氏体型不锈钢。