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304不锈钢耐蚀性能影响因素
304不锈钢耐蚀性能影响因素目录
304不锈钢应用性能综述报告
1304不锈钢简介
牌号304是根据ASTM(美国材料与试验协会标准)和AISI(美国钢铁学会标准)命名的,相当于中国GB(国家强制性国家标准GB/T20878-2007)的牌号06Cr19Ni10,日本标准牌号为SUS304。
市场上常见的标示方法中有06Cr19Ni10,304,SUS304三种,其中06Cr19Ni10一般表示国标标准生产,304一般表示ASME标准生产,SUS304表示日标标准生产。
304不锈钢是一种通用性的铬-镍不锈钢材料,具有优良的耐腐蚀和耐高温性能,成分为C≤0.08、Si≤1.00、Mn≤2.00、P≤0.045、S≤0.03、Cr:
18.00-20.00、Ni:
8.00-11.00,密度约为7.93g/cm3。
常规物理性质和力学性能[1]为:
抗拉强度σb≥520MPa;条件屈服强度σ0.2≥205MPa;延伸率 δ5≥40%;断面收缩率ψ≥60%;硬度:
≤187HB/≤90HRB/≤200HV;熔点:
1398~1454℃;比热容(0~100℃):
0.50kJ·kg-1K-1;热导率:
(100℃)16.3W·m-1·K-1,(500℃)21.5W·m-1·K-1;线胀系数:
(0~100℃)17.2×10-6·K-1,(0~500℃)18.4×10-6·K-1;电阻率(20℃):
0.73×10-6Ω·m;纵向弹性模量(20℃):
193KN·mm2。
钢件表面生锈的实质是腐蚀或称之为锈蚀,是由于钢铁表面与大气中的氧、水分及其酸、碱、盐等物质发生化学作用或电化学作用而引起的变色或腐蚀称为锈蚀。
表面产生的物质是“锈”是铁的氧化物。
不锈钢不容易生锈是因为其高Cr含量使钢件表面生成一层致密的稳定的铬氧化膜,即钝化膜,防止氧原子继续渗入破坏基体。
因此,304不锈钢在干燥清洁的大气中有绝对的抗锈蚀能力。
一旦钝化膜因某种原因遭到破坏,空气或液体中的氧原子就不断渗入或铁原子不断析离出来,形成氧化铁,金属表面就不断受到锈蚀。
不锈钢的耐锈蚀能力一方面与其成份有关,另一方面又与其表面状况有关。
光洁度低,表面粗糙吸附力大,则耐锈蚀能力低;光洁度过高,表面光滑吸附力小,则耐锈蚀能力高。
不锈钢具有抵抗大气氧化的能力——即不锈性,同时也具有在含酸(除盐酸)、碱的介质中耐腐蚀的能力——即耐蚀性。
抗腐蚀能力的大小不仅由不锈钢本身的化学成分及其组态、表面状态有关,使用条件、环境及介质类型也是重要的影响因素。
如,不锈钢表面附着了异类金属粉尘或颗粒,潮湿的气氛下,附着物与不锈钢间的冷凝水将二者连成一个微电池,引发电化学腐蚀。
304不锈钢是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢,因其具有良好的耐蚀性、耐热性,低温强度和机械特性、无热处理硬化现象、无磁性、使用温度范围广(-196℃~800℃),适用于普通化工设备、汽车配件、建材、农业、船舶部件,核能等领域;冲压、弯曲等热加工性好、可焊接性好,用于波纹管、板式换热器等。
304不锈钢为国家认可的食品级不锈钢,适用于食品工业(加工、储存和运输)、医疗器具、家庭用品,如餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、卫浴用品等。
304不锈钢耐蚀性能良好且用途广泛,但在许多环境、使用不当或清洁不及时的情况下,仍然会发生腐蚀现象,因此对304不锈钢耐蚀性进行深入认识具有十分重要的意义。
以下部分是对于304不锈钢的耐腐蚀性能及其影响因素的文献综述,总结了影响304不锈钢耐蚀的因素,希望对以后的304不锈钢件的生产加工提供借鉴。
2304不锈钢腐蚀方式
常见的不锈钢腐蚀可分为两大类即均匀腐蚀和局部腐蚀。
304不锈钢具有良好的耐均匀腐蚀性能,但由于金属表面的钝化膜不可能是完整而均匀的,结构上存在缺陷的地方,如夹杂物、贫铬区、晶界、位错等处,钝化膜较为薄弱,在一些特殊的环境条件下,经过一定的时间后会出现局部腐蚀,主要有:
点蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、电偶腐蚀、细菌腐蚀等。
2.1304不锈钢的点蚀
2.1.1点蚀的特点
304不锈钢材料在某些环境介质中一定的时间,表面上个别微小区域内出现孔穴或麻点,且随时间的推移,蚀孔不断向纵深方向发展,形成小孔状腐蚀坑,这种现象称为点腐蚀,简称点蚀。
点腐蚀是一种外观隐蔽而破坏性大的局部腐蚀,点蚀连续发展会导致腐蚀穿孔直至整个设备失效,造成巨大的经济损失,甚至产生危害性更大的事故。
点腐蚀通常发生在易钝化金属或合金中,同时往往在有侵蚀性阴离子(例如Cl-)与氧化剂共存的条件下。
不锈钢的点腐蚀在实践中最为常见,如不锈钢在近中性的含氯离子的水溶液中可能发生局部溶解形成孔穴而遭到点蚀。
点蚀是破坏最严重的金属局部腐蚀形态之一,也是金属腐蚀研究的热点课题。
点蚀通常发生在易钝化金属或合金表面上,产生点蚀有两个重要条件,一是金属在介质中必须达到某一临界电位,二是侵蚀性的卤化物阴离子(如氯离子或溴离子)达到某一浓度。
由于钢中存在缺陷、杂质和溶质等的不均匀性,当介质中含有某些活性阴离子(如Cl-)时,首先被吸附在金属表面某些点上,从而使不锈钢表面钝化膜发生破坏,形成蚀孔。
蚀孔的成长如图2.1所示,点蚀一旦发生,蚀孔内的金属发生阳极溶解反应为:
Fe→Fe2++2e,Cr→Cr3++3e
孔外主要反应为:
1/2O2+H2O+2e→2OH-
图2.1点成长蚀模型
在含Cl-离子水溶液中,阴极反应为吸氧反应,孔内氧浓度下降,而蚀孔外富氧形成孔内“外供氧差异电池”。
孔内金属离子的不断增加,为保持电中性,蚀孔外阴离子(Cl-)向孔内迁移,孔内Cl-离子浓度升高。
由于孔内金属离子浓度升高并发生水解:
Mn++n(H20)→M(OH)n+nH+
这使孔内溶液氢离子浓度升高,pH值降低,孔内pH值低达2-3,而Cl-离子浓度为整体溶液的3-10倍。
孔内酸化,使蚀孔内金属处于HCl介质中,即处于活化溶解状态;而蚀孔外溶液仍然是富氧,介质维持中性,因此表面膜维持钝态,从而构成了活态(孔内)一钝态(孔外)腐蚀电池,促使蚀孔内金属不断溶解,蚀孔外表面发生氧的还原。
这样使点蚀以自催化的过程发展下去,从而促进腐蚀破坏的迅速发展。
2.1.2点蚀的形成机理
点蚀形成与发展可分为三个阶段:
(1)钝化膜破坏;
(2)亚稳态点蚀的生长和消失;(3)稳定的点蚀的生长。
关于钝化膜的破坏引发点蚀的机制,目前有三种观点[2]:
渗透机制;吸附机制;破裂机制。
钝化膜穿透机制认为,强电场的作用使侵蚀性阴离子穿透钝化膜扩散到金属/钝化膜界面,促进了金属的溶解[3],导致点蚀。
另一种类似的模型[4],认为电场作用下空位迁移导致钝化膜破坏。
氧化膜表面吸附并结合侵蚀性阴离子(Cl-)后,将在表面产生阳离子空位。
空位穿过氧化层扩散到金属基体-氧化层界面后,会被金属基体氧化生成的阳离子填充。
如果空位的粒子流大于金属能提供的阳离子流,空位将在界面处聚集形成孔洞,这就是点缺陷模型中点蚀发生过程的第一步。
吸附理论基于金属表面的Cl—吸附和和氧吸附的竞争过程。
钝化膜不仅仅是单个吸附氧层,可以达到几个原子层的厚度,但吸附仍具有重要作用。
XPS实验可以观察到,将铁暴露于含有Cl一或其它卤素离子的溶液中,铁表面的钝化膜会被变薄,并将这个现象解释为在卤素离子的催化作用下,阳离子从氧化物转移到电解液中的结果。
当氧化膜的局部发生吸附时,局部电场强度增加,最终导致氧化膜破坏并形成点蚀。
膜破裂机理认为,钝化膜处于一个持续的动态的破坏和修复的状态[5,6],由于电致伸缩或表面张力的作用,膜的局部产生裂纹或应力集中可能会引起膜的局部破坏。
不存在侵蚀性离子的环境下,膜的局部破坏后会及时自我修复;在含Cl一的溶液中,Cl一会抑制氧化膜的修复,为点蚀形成提供了条件。
该模型认为氧化膜破坏是常态,还需要有适合点蚀生长的条件才能形成点蚀。
Galvele[7]提出了点蚀生长的关键条件是电流面密度与凹坑深度的乘积的临界值,一些理论和实验结果发现不锈钢的临界值范围为0.3-0.6A/m[8-10]。
在钝化膜破坏后再修复之前的有限时间内萌生并长大的蚀孔,为亚稳态孔,其大小一般只能达到微米级,存在的时间以秒计算或者更短。
亚稳态孔在电位远低于点蚀电位的诱导期内形成。
在亚稳态阶段,一部分蚀孔得到继续生长发展为稳态的蚀孔;一部分则由于某些原因停止生长,钝化膜重新修复[9,10]。
通过对大量的亚稳态蚀孔研究的统计可推断稳态蚀孔的生长,有助于理解点蚀的形成过程。
单个亚稳态蚀孔的信号可确定蚀孔的腐蚀电流密度,进而获得蚀孔内金属溶解电化学动力学信息并研究腐蚀速率的控制因素。
亚稳态蚀孔的消失可获得蚀孔稳定性相关的信息。
点蚀的生长是电化学反应过程,涉及电荷输运、欧姆效应、物质输运等。
所以,点蚀的生长速率与控制电化学反应速率的因素相同[2],包括材料组分、电解液的浓度、蚀孔末端电位[11]、温度等,这些条件需要维持在一定范围,使孔内的金属表面不容易从新钝化,才能让蚀孔继续长大。
钝化膜的特性在点蚀形成过程中的作用是次要的。
点蚀萌发是钝化膜的破坏机制还不清楚,但是可能对点蚀形成没有关键影响。
2.2不锈钢的缝隙腐蚀
2.2.1缝隙腐蚀的特点
这类腐蚀发生在有电解液存在的金属之间、以及金属与非金属之间构成狭窄的缝隙内,如:
不锈钢设备中法兰的连接处,垫圈、衬板、金属相互缠绕的重叠处,破坏形态为沟缝状,严重可穿透。
它的发生和发展机理与点蚀类似,是点蚀的一种特殊形态。
在电解液和结构缝隙存在的条件下,缝隙内有关物质的移动受到了阻滞,形成浓差电池从而产生局部腐蚀。
由于电解质中O2的扩散,在汽-液交界面上形成三相界面而产生强烈的水线腐蚀,以及形成活化-钝化电池的闭塞电池因为缝隙内是缺氧区,成为阳极,缝外金属表面为阴极,其后也产生自催化加速作用,一旦发生就迅速进展。
缝隙腐蚀和点蚀一样,在含Cl-离子的溶液中最容易发生。
2.2.2影响缝隙腐蚀的因素
不锈钢中Cl-离子的浓度是缝隙腐蚀的主要影响因素。
一般来说,随氯化物浓度的增加,Cr-Ni不锈钢的应力腐蚀开裂加快,特别MgCl2最易引起腐蚀破裂。
几何形状的影响:
缝隙腐蚀的重要影响因素是几何形状,如间隙的宽度、深度及内外面积的比等;它决定着氧气进入缝隙的程度、电解质的组成变化、以及电位的分布和宏观电池的性能。
氧浓度的影响:
随溶液中氧浓度的增加,缝隙外部阴极反应随之加速,腐蚀量便增加;在敞开系统的溶液中,氧的浓度随着温度的升高而下降,相反温度升高阳极反应加快,最终的腐蚀强弱由阳极和阴极两种反应的综合结果而定;在密闭系统中随温度的升高缝隙腐蚀而大大加快。
其他影响:
随溶液pH值减小,阳极溶解速度增加,则缝隙腐蚀量增加;当Cl-的浓度增加,电位向负方向移动,缝隙腐蚀敏感性升高;SO42-有抑制点蚀的作用,同样也有减缓缝隙腐蚀的作用。
2.3不锈钢的晶间腐蚀
2.3.1晶界腐蚀特点
晶间腐蚀是在腐蚀介质作用下,由于晶粒边缘和内部间化学成分的差异以及晶界杂质或内应力的存在,沿着或紧挨着金属晶粒边界发生的腐蚀。
晶间腐蚀是从金属材料表面开始,沿着晶界向内部发展,使晶粒间的结合力大大丧失,以致材料的强度完全消失,而且腐蚀发生后金属和合金的表面仍保持一定的金属光泽,看不出被破坏的迹象,但晶粒间结合力显著减弱,力学性能恶化,所以是一种很危险的腐蚀。
晶间腐蚀通常发生在不锈钢,镍基合金,铝基合金及铜合金上,主要在焊接接头上或经一定加热处理后使用时发生。
产生晶间腐蚀的根本原因是晶界及其附近区域与晶粒内部存在电化学腐蚀的不均匀性,这种不均匀性是金属材料在熔炼、焊接和热处理等过程中造成的。
例如,晶界析出第二相,造成晶界某种合金成分的贫乏化;晶界析出易于腐蚀的阳极相;杂质与溶质原子在晶界区偏析;晶界区原子排列杂乱,错位密度高;新相析出或转变,造成晶界处较大的内应力,这些原因都成为特定体系发生晶间腐蚀的机理模型。
2.3.2晶间腐蚀的机理
解释晶间腐蚀的机理模型很多,各种模型均承认晶界区存在局部微观阳极的看法,但对阳极区的发展和分布的看法却又不同,因而出现了各种晶间腐蚀理论,目前比较认可的是贫铬理论和第二相析出理论。
两种晶间腐蚀理论模型并不相互抵触,而是相辅相成的,各自适用于不同的合金组织和环境体系。
图2.2奥氏体不锈钢晶界上铬析出示意图
贫铬理论是最早提出的,也是目前人们最广泛接受的理论,可以很好的解释奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题。
经过固溶处理的奥氏体不锈钢在450—900℃温度范围保温或缓慢冷却处理时,就会在一定的腐蚀性介质中呈现晶间腐蚀敏感性,所以这个温度范围被称为敏化温度。
奥氏体不锈钢经过1050—1150℃的固溶处理,获得高碳含量的固溶体,在较低温度(450—900℃)加热或缓慢冷却过程中,过饱和的碳倾向于与铬、铁结合形成复杂的碳化物(CrFe)23C6,从奥氏体中析出而分布在晶界上[12]。
由于(CrFe)23C6中的Cr含量比晶内的平均Cr含量高很多,(CrFe)23C6的析出导致其周围晶界区消耗大量的铬;而铬在奥氏体中的扩散速率远低于碳的扩散速率,使晶界区的铬不能通过晶内铬的扩散得到及时补充,最终导致晶界附近形成贫铬区,图2.2所示为不锈钢晶界Cr的碳化物析出示意图。
铬含量低于不锈钢表面形成耐蚀钝化膜所需要的最低值,因而钝态受到破坏。
晶粒与晶界及其附近区域构成大阴极(钝化)—小阳极(活化)的微电池,从而加速了晶界区的腐蚀。
晶界及其附近贫铬区己被多数实验观测证实,例如,经650℃敏化处理的18Cr—8Ni不锈钢,贫铬区宽度约为150—200nm。
贫铬理论可以解释在活化-钝化电位区以及除过钝化区以外的各电位区发生的晶间腐蚀现象。
大多数奥氏体不锈钢的晶间腐蚀都发生在弱氧化性介质中,亦即处于阳极极化曲线上的活化-钝化过渡的电位区。
贫铬理论可以较好的解释回火温度与时间,以及钢中的含碳量、碳化物形成元素对晶间腐蚀的影响规律。
根据贫铬理论提出一系列防止晶间腐蚀的有效措施,并在实践中得到证实。
第二相析出理论主要用于解释低碳或超低碳不锈钢的晶间腐蚀敏感性。
σ相是Fe、Cr的金属间化合物,含铬质量分数为18—54%。
σ相在晶界的析出同样会引起晶界区的贫铬,由此导致晶间腐蚀[13]。
超低碳不锈钢,特别是高铬、含钼Ti、Nb等合金元素的钢在650—850℃热处理时易析出σ相。
18-8铬镍不锈钢若在产生σ相的温度区间长时间加热或冷加工变形后在产生σ相的温度范围加热,都可能出现σ相诱发的晶间腐蚀。
通常,在氧化性低的腐蚀介质中,析出σ相的不锈钢处于较低的电位区间,此时σ相比γ相耐蚀,不易产生晶间腐蚀破坏;在高电位下,σ相发生严重的腐蚀,其阳极电流急剧增加,即高电位下σ相会发生严重选择性腐蚀。
2.4不锈钢的应力腐蚀
2.4.1不锈钢应力腐蚀特点
不锈钢在特定的腐蚀性介质和拉应力(外力或焊接、冷加工等产生的残余应力)的同时作用时会出现低于强度极限的脆性开裂现象,称为应力腐蚀。
这种腐蚀发生的时间短,破坏性极大。
应力腐蚀发生的初期与点蚀和缝隙腐蚀相同,都是在一个对流不通畅的、闭塞的微区内进行的,也称为闭塞电池腐蚀。
先是由于腐蚀性介质的作用,在不锈钢的腐蚀敏感部位形成微小坑陷,而后在残余应力的作用下产生微观裂纹。
微观裂纹一旦产生,在金属内部就存在一条狭窄的活性通路,在拉应力的作用下,活性通路前端的膜反复地、间歇地破裂,腐蚀沿着与拉应力垂直的通路前进。
在闭塞区(裂缝尖端)由于阴离子腐蚀放氢,一部分氢可能扩散到尖端金属内部引起脆化,发生脆性断裂。
裂缝在腐蚀和脆断的反复作用下迅速前进。
裂缝形态有两种:
一种是沿晶界破裂,称为晶间破裂;另一种是穿过晶粒,称为穿晶破裂。
这种腐蚀性介质有硝酸、硝酸铵、溴化钙、盐酸、氢氟酸、氢氧化钾及含有氯离子溶液等。
腐蚀敏感部位是指活化-钝化过渡区,即钝化膜不完整的电位范围。
奥氏体不锈钢在含有氯离子溶液的环境中,最有可能发生应力腐蚀破裂。
产生的原因就是Cl-破坏局部钝化膜,而进入裂缝尖端构成盐酸,产生自加速催化加速腐蚀过程,同时氢离子在尖端析出,渗入裂缝前缘,使金属脆化。
2.4.2影响应力腐蚀的因素
影响不锈钢应力腐蚀的原因包括材料自身的特点,如合金元素、微观结构、加工残余应力等以及使用环境承受的应力、腐蚀介质的类型、浓度,环境温度等因素。
一般镍、硅等合金元素能提高奥氏体不锈钢在MgCl2溶液中抗应力腐蚀破裂性能;氮、磷、钼等元素会降低不锈钢在浓氯化物介质中的耐应力腐蚀能力。
不锈钢的晶界分布特征对304不锈钢的应力腐蚀开裂有明显影响,重位点阵数较小的晶界比例高的不锈钢的晶界腐蚀和应力腐蚀性能更好[14]。
氯离子浓度的影响明显,随氯化物浓度的增加,Cr-Ni不锈钢的应力腐蚀开裂加快,特别MgCl2最易引起应力腐蚀破裂;氯化物的阳离子也有影响,不同氯化物的腐蚀作用按影响因素主次排列为:
Mg2+、Fe3+、Ca2+、Na+、Li+等离子的顺序递减的。
2.5其它局部腐蚀类型
不锈钢在使用除了会发生以上常见的腐蚀类型,还会在一些特殊的使用环境下,发生点偶腐蚀、高温气体腐蚀和细菌腐蚀等。
电偶腐蚀,指具有不同电极电位的金属互相接触,并在一定的介质中所发生的电化学腐蚀。
这种腐蚀实际为宏观原电池腐蚀,它是一种最普遍的局部腐蚀类型。
该类腐蚀比较容易在材料设计的过程中通过正确选材而加以防范。
不锈钢的高温气体腐蚀,指在高温下金属与氧化性反应气体生成金属氧化物的过程。
不锈钢在高温含氧化性气体条件下使用都会发生高温氧化,例如航空发动机的压气机、汽车排气管、蒸汽输送设备管道以及蒸汽轮机等等。
最初,不锈钢表面会生成一层保护性的氧化铬膜,但在长时间高温、高速运转等情况下使用,其氧化反应剧烈并具有破坏性,最终造成材料失效。
微生物腐蚀(即MIC腐蚀)也是造成薄壁不锈钢管严重的点腐蚀和缝隙腐蚀的因素之一[9]。
对使用时间较长管网来说,管壁上很容易形成生物膜,微生物大量富集,有细菌(为盖氏铁柄杆菌属、铁襄菌、锰茵属)、真茵、藻类、酵母等微生物会产生酸破坏保护涂层,形成化学腐蚀电池[11]。
3合金元素对不锈钢耐蚀性能的影响
影响不锈钢耐蚀性的因素很多,本部分及以下部分重点讨论不锈钢点腐蚀和晶界腐蚀的影响因素,大致可以分为内在因素和环境因素两大类。
环境因素包括温度、湿度、PH值、氯离子浓度等。
内在因素主要有钢的化学成分(合金元素)、微观组织、金属表面粗糙度等,其中化学成分,即合金元素,是最根本的内在因素。
本部分总结了多种合金元素对不锈钢的电腐蚀和晶界腐蚀性能的影响。
表3-1合金元素对不锈钢的作用
添加目的
合金元素
Cr
Ni
Mn
N
Ti
Nb
Si
Mo
Cu
C
S
Se
Al
形成铁素体
中
—
—
—
强
中
中
中
—
—
—
—
强
形成奥氏体
—
中
弱
强
—
—
—
—
弱
强
—
—
—
形成碳化物
中
—
弱
—
强
强
—
弱
—
—
—
—
—
耐氧化性酸
强
—
—
—
—
—
中
—
—
—
—
—
—
耐还原性酸
—
强
—
—
—
—
中
强
强
—
—
—
—
抗晶界腐蚀
—
—
—
—
强
强
中
弱
—
—
—
—
—
抗点蚀
—
—
—
—
—
—
中
强
—
—
—
—
—
抗应力腐蚀
—
强
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
抗氧化性
强
中
—
—
中
—
强
—
—
—
—
—
强
抗高温蠕变
—
中
弱
中
中
强
—
中
—
中
—
—
—
降时效硬化
—
—
—
—
中
强
中
—
中
—
—
—
中
细化晶粒
—
—
—
弱
强
中
—
—
—
—
—
—
—
提机加性能
—
—
—
—
—
—
—
—
—
—
强
强
—
大量研究报道了不同合金元素对不锈钢性能的影响,数据结果如表3-1所示。
关于合金元素对不锈钢耐蚀性能的具体影响如下:
铬(Cr):
铬是增加不锈钢耐蚀性能的基本元素之一,铬主要作用是提高钢的钝化膜的修复能力或称再生能力,提高不锈钢的耐点蚀性能。
铬含量增加时,有利于贫铬区与富铬区含铬量的平衡,从而降低了晶间腐蚀的敏感性。
一般不锈钢中的铬含量必须在12%以上。
镍(Ni):
镍是优良的耐腐蚀材料,也镍是不锈钢的主要元素之一,提高奥氏体含量,同时提高钢的抗腐蚀能力。
没有铬,只有含镍27%时才使钢在某些介质中的耐腐蚀性能显著改变,所以镍不能单独构成不锈钢。
镍在不锈钢中的作用在于它使高铬钢的组织发生变化,使不锈钢的耐腐蚀性能获得改善, 不仅能耐酸(如硫酸、醋酸、草酸),而且能抗非氧化性介质的耐蚀性,如碱和大气的腐蚀,中性盐等,但对高温含硫气体不耐腐蚀。
碳(C):
碳元素对不锈钢的组织和性能有很大影响。
一方面它是稳定奥氏体的元素,并且作用很大,相当于镍的30倍;另一方面由于碳与铬的亲和力很大,能和铬形成一系列的复杂碳化物,含碳量越高,形成的碳化物就越多,铬的消耗量就越大,使得晶间腐蚀性能越差[15]。
钼(Mo)和钨(W):
钼能降低不锈钢表面钝化膜中的缺陷浓度,使不锈钢表面生成很致密而牢固的钝化膜[16],显著提高不锈钢在磷酸、硫酸及各种有机酸(如蚁酸、醋酸,草酸等)、过氧化氢、硫酸盐、酸性染料、漂白粉等中的耐蚀性。
尤其是抗氯离子点蚀性能,实验发现随钼含量的增加点蚀电位迅速提高,腐蚀数率很快降低。
可能是因为,一方面钼的加入使钝化膜中含有稳定性更高的六价钼的化合物(可能为氧化物、氢氧化物或钼酸盐),提高了钝化膜的耐蚀性;另一方面钼在活性金属表面形成不易被溶解的氧化钼或钼酸盐(Mo6+),有效的降低了活性区的溶解速率[17,18]。
304不锈钢中的金属元素钨(W)钨的作用与钼的作用大致相同,且六价钨(W)氧化物的稳定性要高于六价钼(Mo)氧化物。
钛(Ti)和铌(Nb)的影响:
钛和铌与碳的亲和力较强,能够生成稳定的TiC和NbC并均匀的分布在基体中,以避免碳与铬结合形成碳化铬,从而减少了晶界贫铬区的产生,因此它们被称为稳定化元素,提高不锈钢的耐晶界腐蚀能力,Nb的抗晶界腐蚀能力比Ti高。
铜(Cu)元素的影响:
铜是稳定奥氏体的元素,铜加入铬不锈钢可以提高耐腐蚀性能。
Cu对不锈钢腐蚀行为的影响,普遍认为是Cu2+在活性表面的富集,抑制了不锈钢的阳极溶解,而钝化膜形成的难易程度与基体中Cu的含量相关[19]。
Si可以与Cu发生协同作用,提高了Cu抗腐蚀的效果。
锆(Zr)和钒(V)的影响:
研究人员还对元素锆与元素钒微量添加于不锈钢之中的作用进行了研究,结果表明锆元素能有效的改善钢液中夹杂物的形态和分布,具有一定的精炼作用,但降低了铸造不锈钢的耐腐蚀性能;钒元素对改善铸造不锈钢的组织,提高耐腐蚀性能有益,但影响不明显。
氮(N):
氮有稳定奥氏体的作用,可增强不锈钢的抗局部腐蚀(点蚀及缝隙腐蚀)能力,并能减少σ相析出,防止高温脆性,使奥氏体具有良好的抗敏化能力。
M.B.Ives等人[20]认为氮可能形成NH4+与自由Cl-离子结合成化合物,降低不锈钢的阳极溶解速率,即减低点蚀形成过程的自催化效应。
阳极溶解的过程中,表面形成氮化物可阻碍钼的溶解,使钼驻留在钝化膜内,因此提高不锈钢的局部腐蚀性能。
实验观察还发现氮化铁在酸性溶液中更容易溶解,而铬和钼的氮化物则更稳定,因此氮的存在会加速有益元素铬或钼在蚀孔表面偏聚,形成耐蚀性能更好的钝化膜[21]。
氮还有提高抗高温氧化的能力(900℃),渗氮处理后的不锈钢表面氧化速率降低,且不易形成氧化铁[22]。
氮在钢中的溶解度有限(<0.1
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