4 金屬結構材料的耐蝕性

1、第4章 金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理過程裝備腐蝕與防護4.2 常用結構材料的耐蝕性4.3 結構材料選擇原則金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.1 純金屬的耐蝕性1. 金屬的熱力學穩(wěn)定性標準電極電位：越正，穩(wěn)定性越高；越負，越易腐蝕。金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.1 純金屬的耐蝕性2. 金屬的鈍化 熱力學不穩(wěn)定的金屬（如鋯Zr、鈦Ti、鉭Ta、鈮Nb、鋁Al、鉻Cr、鈹Be、鉬Mo、鎂Mg、鎳Ni、鈷Co、鐵Fe等）在適當的條件（氧化性介質）下能發(fā)生鈍化而提高耐蝕能力。 但在含Cl、Br、F等的介質中, 鈍態(tài)易被破壞。3. 腐蝕產物膜的

2、保護性能 有些熱力學不穩(wěn)定的金屬或合金，因在某些介質中生成致密的保護性產物膜而提高耐蝕能力。如：Pb-HPb-H2 2SOSO4 4，Fe-HFe-H3 3POPO4 4，Mo-HClMo-HCl，Mg-HFMg-HF（或NaOHNaOH），），Zn-Zn-大氣。工業(yè)用耐蝕金屬：CuCu、NiNi、AlAl、MgMg、TiTi、Zr Zr 工業(yè)用耐蝕合金：Fe-、Cu-、Ni-、Ti-、Al-、Mg- 金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.2 金屬耐蝕合金化的途徑1. 提高金屬的熱力學穩(wěn)定性 向本來不耐蝕的純金屬或合金中加入熱力學穩(wěn)定性高的合金元素，即提高EA0，此法使合金價格

3、大增。如： CuAu ，NiCu ，Cr鋼Ni2. 減弱合金的陰極活性，增強陰極極化程度a. 減少金屬或合金中的活性陰極面積 減少金屬或合金中的陰極性夾雜物的含量；例如降低Al中Fe的含量。 用固溶處理，消除或減少活性陰極相的析出。雜質鐵對純鋁在鹽酸中腐蝕的影響金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.2 金屬耐蝕合金化的途徑砷對碳鋼在硫酸中腐蝕的影響b. 加入析氫超電壓高的合金元素即提高 PK增大合金陰極析氫反應的阻力，可以顯著降低合金在酸中的腐蝕速度。如：碳鋼和鑄鐵中加入砷砷、銻銻、鉍鉍或錫；錫；加入這些元素雖提高耐蝕性，但可能降低力學性能。金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕

4、合金化原理4.1.2 金屬耐蝕合金化的途徑3. 減弱合金的陽極活性（最有效，最常用）a. 減少陽極相的面積（局限性大）條件：合金基體陰極，第二相陽極， 如Al-Mg中的Al2Mg3常規(guī)：合金基體陽極，第二相陰極， 如鋼中的Fe3Cb. 加入易鈍化的合金元素 如基體元素Fe、Al、Mg、Ni等為可鈍化元素但鈍化能力不強，再加入易鈍化元素 (Cr等)可大大提高耐蝕性。c. 加入陰極合金元素促進陽極鈍化4. 使合金表面生成電阻大的腐蝕產物膜 即增大體系電阻 耐大氣腐蝕的低合金鋼的耐蝕銹層中一般含有非晶態(tài)羥基氧化鐵FeOx (OH)3-2x，其結構致密，保護性非常好。在鋼中加入Cu、P或P與Cr，可促

5、成此非晶態(tài)保護膜的生成。因此在一般碳鋼中加入少量的Cu與P或P與Cr就成了耐大氣腐蝕的低合金鋼。金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.3 單相合金的n/8定律 在合金中加入耐蝕性組元含量為1/8、2/8、3/8、4/8 原子分數時，合金的耐蝕性出現突然地階梯式升越。 如：Cu-Ni合金，Fe-Cr合金，Fe-Cr-Ni合金等。 合金的耐蝕性的突然階梯式升越是合金的腐蝕電位階梯式升高的必然結果。Cu-Ni合金在氨溶液中的穩(wěn)定性邊界條件：單相合金或固溶體合金金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.3 單相合金的n/8定律同一合金在不同介質中，其電極電位的穩(wěn)定性臺階值是

6、不同的。n/8定律是大量實驗總結出來的規(guī)律，尚無確切的理論解釋。金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.4 主要合金元素對耐蝕性的影響1. 鉻-Cr Cr是鐵基、鎳基或鈦基合金中的基本合金元素。 Cr熱力學不穩(wěn)定，但易鈍化，并有過鈍化傾向。具備鈍化條件時（介質氧化能力適當） ：隨 著隨 著 C r , C r , 腐 蝕 速 度腐 蝕 速 度V Vcorrcorr不具備鈍化條件時（還原介質或介質氧化能力不足或過高）：隨著隨著Cr, Cr, 腐蝕速度腐蝕速度V Vcorr corr 金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.4 主要合金元素的影響2. 鎳-Ni1)熱力學

7、穩(wěn)定： Ni Cr Fe；2)鈍化能力：CrNiFe；3) Ni可增加合金的熱力學穩(wěn)定性，尤其是在還原性介質中；4) 一般采用Cr-Ni復合合金化； Ni促進奧氏體形成，含量大時得到單相A型不銹鋼； 但是Ni，晶間腐蝕傾向。金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.4 主要合金元素的影響3. 鉬-Mo1)促進Cr不銹鋼、Cr-Ni不銹鋼、Ni合金、Ti合金的鈍化，且Mo量增加, 鈍化膜厚度增加；2)提高耐還原性介質的腐蝕能力；3)提高在Cl等中的抗孔蝕能力；4)Mo 4%時，可提高抗SCC能力金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.4 主要合金元素的影響4. 銅-Cu

8、1)提高抗大氣腐蝕能力；2)提高抗耐硫酸腐蝕能力 (尤其Cu、Mo復合加入不銹鋼中) ；3)提高不銹鋼抗海水縫隙腐蝕能力。銅含量對鋼的大氣腐蝕的影響金屬結構材料的耐蝕性4.1 金屬耐蝕合金化原理4.1.4 主要合金元素的影響5. 硅-Si1)提高抗Cl的SCC能力，尤其Si-Mo復合加入；2)提高抗孔蝕能力, 尤其Si-Mo復合加入；如：00Cr17Ni14Mo2Si3鋼3)提高耐濃熱硝酸腐蝕能力；4)提高合金抗氧化能力；5)提高合金抗海水腐蝕能力(Si與Cr、Mo或Cu配合加入)。Si是不銹鋼、低合金鋼、鑄鐵和鎳基合金常用耐蝕合金元素。金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.

9、1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬1. 18-8不銹鋼(占不銹鋼70%) 良好的熱塑性冷變形能力和可焊性；不銹鋼可分為：普通不銹鋼（耐大氣腐蝕）、不銹耐酸鋼（耐強腐蝕性介質腐蝕）(1) 性能特點 優(yōu)良的耐蝕性：在空氣水中性溶液和氧化性介質中十分穩(wěn)定；在氧化性酸中較較耐蝕，在非氧化性酸中不或不夠耐蝕； 非常耐堿腐蝕。(2) 常見局部腐蝕：晶間腐蝕、孔蝕和SCC金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬18-8不銹鋼耐酸腐蝕能力的比較金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬(3) 提高不銹鋼耐蝕性的方法金屬結構材

10、料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬（續(xù)表）金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬2. 鋁及其合金 電位變化：1.67V(鈍化前) 0.5V(鈍化后) 耐蝕性取決于在給定環(huán)境中鋁表面保護膜的穩(wěn)定性：(1) 工業(yè)純鋁 中性、近中性水中和大氣中：穩(wěn)定性高 氧化性酸中：十分穩(wěn)定 非氧化性酸中： 不穩(wěn)定 含鹵素離子的中性溶液中：易孔蝕 在堿性溶液中：不穩(wěn)定 在大多數有機介質中：較穩(wěn)定 在含硫和硫化物介質中：很穩(wěn)定金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬金屬結構材料的耐蝕

11、性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬 種類及耐蝕性(2) 鋁合金 耐蝕的鋁合金有Al-Mn、Al-Mn-Mg、Al-Mg-Si和Al-Mg 四種。 鋁合金的腐蝕形態(tài)孔蝕： Al-Cu合金最易發(fā)生； Al-Mn、Al-Mg 合金抗孔蝕性較好。電偶腐蝕：鋁或鋁合金銅或銅合金接觸時最明顯。鋁及其合金因其低溫塑性良好，常用于制作深度冷凍設備。金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬3. 鈦及鈦合金a. 氧化性介質中(包括大氣和土壤)中：非常耐蝕b. 中性、近中性水中：很穩(wěn)定c. 氧化性酸中： 穩(wěn)定d. 中性和弱酸性的氯化物溶

12、液中：耐蝕e. 在海水中：十分穩(wěn)定，并耐氣蝕和孔蝕f.在王水、氯水等中：耐蝕g. 在純的非氧化性酸中：不耐蝕h. 非氧化性酸+少量氧化劑或高價金屬離子液中: 可鈍化i.20%NaOH液中：耐蝕；20%NaOH高溫液中：不耐蝕j.發(fā)火反應：無水氧化性介質中，或含水量低(2%)，當含氯氣或含NO2的硝酸等強氧化劑時。(危險！) 。(1) 純 鈦金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬(2) 鈦合金 分類 耐蝕鈦合金： Ti-Pd、Ti-Ni、Ti-Mo、Ti-Ni-Mo等Ti- 0.15 Pd 和Ti- 0.2 Pd 耐沸騰5%的硫酸和鹽酸腐蝕和熱鹽水

13、縫隙腐蝕；Ti-15Mo耐室溫下任何濃度的硫酸和鹽酸腐蝕；Ti-30Mo耐40%的沸騰硫酸和鹽酸腐蝕。 鈦合金常見腐蝕形態(tài)縫隙腐蝕、氫脆、SCC注：鈦密排六方晶格，鈦體心立方晶格金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.1 依靠鈍化獲得耐蝕能力的金屬4. 高硅鑄鐵 含14.5%18%Si的鑄鐵，依靠硅合金化大大提高鈍化能力而耐蝕。高硅鑄鐵的塑性和韌性很差！ 在氧化性酸和鹽溶液中：耐蝕 在硫酸、磷酸、有機酸和室溫鹽酸等酸中：耐蝕 在堿、氫氟酸、氟化物、鹵素、亞硫酸等中：不耐蝕金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.2 可鈍化或腐蝕產物穩(wěn)定的金屬1. 碳鋼和鑄鐵（可鈍

14、化或產物穩(wěn)定）1) 在強氧化性介質中有一定的耐蝕性，可做濃硫酸的生產設備；2) 在pH9.5，30%NaOH的堿液中：耐蝕3) 有氧的水中：不耐蝕4) 非氧化性介質中：不耐蝕5) 在大氣、土壤、海水中：不耐蝕2. 鉛與鉛合金（腐蝕產物穩(wěn)定） 耐硫酸腐蝕（濃度低于80%的85熱硫酸、96%以下冷硫酸以及硫酸鹽溶液），有毒。相相 組組 成：成： Fe Fe3C C（石墨）（石墨）電極電位：電極電位： 最低最低 較高較高 最高最高金屬結構材料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.3 熱力學穩(wěn)定的耐蝕金屬1. 銅合金分類 貴金屬雖很穩(wěn)定但價昂而很少用；半貴金屬銅及其合金因價較廉常使用。金屬結構材

15、料的耐蝕性4.2 常用結構材料的耐蝕性4.2.3 熱力學穩(wěn)定的金屬2. 銅合金耐蝕特性 酸性溶液、非氧化性酸（不充氣）中：穩(wěn)定 在大氣（不含S） 、水、海水、中性鹽液中：穩(wěn)定 含氧化性鹽類（Fe3+等）溶液：不穩(wěn)定 氧化性介質或含氧酸中：不穩(wěn)定 含氧堿 （尤其氨水溶液）中：不穩(wěn)定 硫化物（含SO2、H2S等）介質中：不穩(wěn)定 黃銅耐空泡腐蝕，常做海水熱交換器3. 黃銅的腐蝕形態(tài) 脫鋅腐蝕（即晶間腐蝕）：含鋅低的黃銅 SCC（在氨、銨鹽、水或水蒸汽中）金屬結構材料的耐蝕性4.3 結構材料的選擇原則4.3.1 工藝條件對材料的要求 結構材料是化工機器設備的基礎，正確、合理的選材是保證正常發(fā)揮機器設備

16、功能的重要環(huán)節(jié)。1. 介質特性與溫度、壓力1) 弄清機器、設備在具體工作條件下對材料的主要要求；2) 掌握各種材料的基本特性；3) 對材料經濟性和具體應用場合進行綜合分析、評比。正確的選材應是技術上可行和經濟上合理。(1) 介質特性：相態(tài)、組成、濃度、氧化性或還原性，變化范圍和流速等。 對材料要求：耐蝕性(2) 介質溫度：溫度高、低，變化范圍；(高：蠕變、氧化；低：脆性)(3) 介質壓力：低、中、高或負壓；壓力分布、變化范圍和變化方式。金屬結構材料的耐蝕性4.3 結構材料的選擇原則4.3.1 工藝條件對材料的要求2. 工藝條件對材料的限制(1) 醫(yī)藥、食品以及石油化工對產品純度的要求(2) 腐

17、蝕產物或磨蝕微粒對化工反應的影響(3) 腐蝕對化工過程的影響3. 設備的功能與結構a. 換熱器： 耐蝕性和導熱性b. 熬堿鍋：氧化性、耐堿性、導熱性c. 制氧精餾塔：低溫韌性d. 壓縮機活塞環(huán)：耐磨性和彈性e. 輸液泵；耐磨蝕性和鑄造性能4. 運轉及開停車的條件金屬結構材料的耐蝕性4.3 結構材料的選擇原則4.3.2 掌握材料的基本特征材料種類繁多，牌號成千上萬，性能各有千秋；既了解各種材料的共性又要分析材料的特殊性；先大類，再小類，三具體牌號，最后綜合分析評比。1. 耐蝕性(1) 均勻腐蝕與局部腐蝕的主次問題(2) 腐蝕的相對性和材料的相容性2. 力學物理性能4.3.3 材料選擇的基本要點 力學物理性能是選材的