合金元素對(duì)不銹鋼耐蝕性能的影響

1、3合金元素對(duì)不銹鋼耐蝕性能的影響影響不銹鋼耐蝕性的因素很多，本部分及以下部分重點(diǎn)討論不銹鋼點(diǎn)腐蝕和 晶界腐蝕的影響因素，大致可以分為內(nèi)在因素和環(huán)境因素兩大類。環(huán)境因素包括 溫度、濕度、PH值、氯離子濃度等。內(nèi)在因素主要有鋼的化學(xué)成分（合金元素）、 微觀組織、金屬表面粗糙度等，其中化學(xué)成分，即合金元素，是最根本的內(nèi)在因 素。本部分總結(jié)了多種合金元素對(duì)不銹鋼的電腐蝕和晶界腐蝕性能的影響。表3-1合金元素對(duì)不銹鋼的作用添加目的合金元素CrNiMnNTiNbSiMoCuCSSeAl形成鐵素體中強(qiáng)中中中強(qiáng)形成奧氏體中弱強(qiáng)弱強(qiáng)形成碳化物中弱強(qiáng)強(qiáng)弱耐氧化性酸強(qiáng)中耐還原性酸強(qiáng)中強(qiáng)強(qiáng)抗晶界腐蝕強(qiáng)強(qiáng)中弱抗點(diǎn)蝕中強(qiáng)

2、抗應(yīng)力腐蝕強(qiáng)抗氧化性強(qiáng)中中強(qiáng)強(qiáng)抗高溫蠕變中弱中中強(qiáng)中中降時(shí)效硬化中強(qiáng)中中中細(xì)化晶粒弱強(qiáng)中提機(jī)加性能強(qiáng)強(qiáng)大量研究報(bào)道了不同合金元素對(duì)不銹鋼性能的影響，數(shù)據(jù)結(jié)果如表3-1所 示。關(guān)于合金元素對(duì)不銹鋼耐蝕性能的具體影響如下：鉻（Cr）:鉻是增加不銹鋼耐蝕性能的基本元素之一，鉻主要作用是提高鋼 的鈍化膜的修復(fù)能力或稱再生能力，提高不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能。鉻含量增加時(shí), 有利于貧鉻區(qū)與富鉻區(qū)含鉻量的平衡，從而降低了晶間腐蝕的敏感性。一般不銹 鋼中的鉻含量必須在12%以上。鎳（Ni）：鎳是優(yōu)良的耐腐蝕材料，也鎳是不銹鋼的主要元素之一，提高奧 氏體含量，同時(shí)提高鋼的抗腐蝕能力。沒(méi)有鉻，只有含鎳27%時(shí)才使鋼在某

3、些 介質(zhì)中的耐腐蝕性能顯著改變，所以鎳不能單獨(dú)構(gòu)成不銹鋼。鎳在不銹鋼中的作 用在于它使高鉻鋼的組織發(fā)生變化，使不銹鋼的耐腐蝕性能獲得改善，不僅能 耐酸（如硫酸、醋酸、草酸），而且能抗非氧化性介質(zhì)的耐蝕性，如堿和大氣的 腐蝕，中性鹽等，但對(duì)高溫含硫氣體不耐腐蝕。碳（C）：碳元素對(duì)不銹鋼的組織和性能有很大影響。一方面它是穩(wěn)定奧 氏體的元素，并且作用很大，相當(dāng)于鎳的30倍；另一方面由于碳與鉻的親和力 很大，能和鉻形成一系列的復(fù)雜碳化物，含碳量越高，形成的碳化物就越多，鉻 的消耗量就越大，使得晶間腐蝕性能越差15。鋁（Mo）和鎢（W）:鋁能降低不銹鋼表面鈍化膜中的缺陷濃度，使不銹鋼 表面生成很致密而牢

4、固的鈍化膜16,顯著提高不銹鋼在磷酸、硫酸及各種有機(jī) 酸（如蟻酸、醋酸，草酸等）、過(guò)氧化氫、硫酸鹽、酸性染料、漂白粉等中的耐 蝕性。尤其是抗氯離子點(diǎn)蝕性能，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)隨鋁含量的增加點(diǎn)蝕電位迅速提高， 腐蝕數(shù)率很快降低。可能是因?yàn)?，一方面鋁的加入使鈍化膜中含有穩(wěn)定性更高的 六價(jià)鋁的化合物（可能為氧化物、氫氧化物或鋁酸鹽），提高了鈍化膜的耐蝕性； 另一方面鋁在活性金屬表面形成不易被溶解的氧化鋁或鋁酸鹽（Mo6+），有效的 降低了活性區(qū)的溶解速率17，18。304不銹鋼中的金屬元素鎢（W）鎢的作用 與鋁的作用大致相同，且六價(jià)鎢（W）氧化物的穩(wěn)定性要高于六價(jià)鋁（Mo）氧化 物。鈦（Ti）和鈮（Nb）的影

5、響：鈦和鈮與碳的親和力較強(qiáng)，能夠生成穩(wěn)定的 TiC和NbC并均勻的分布在基體中，以避免碳與鉻結(jié)合形成碳化鉻，從而減少了 晶界貧鉻區(qū)的產(chǎn)生，因此它們被稱為穩(wěn)定化元素，提高不銹鋼的耐晶界腐蝕能力， Nb的抗晶界腐蝕能力比Ti高。銅（Cu）元素的影響：銅是穩(wěn)定奧氏體的元素，銅加入鉻不銹鋼可以提高耐 腐蝕性能。Cu對(duì)不銹鋼腐蝕行為的影響，普遍認(rèn)為是Cu2+在活性表面的富集, 抑制了不銹鋼的陽(yáng)極溶解，而鈍化膜形成的難易程度與基體中Cu的含量相關(guān) 19。Si可以與Cu發(fā)生協(xié)同作用，提高了如抗腐蝕的效果。錯(cuò)（Zr）和釩（V）的影響：研究人員還對(duì)元素錯(cuò)與元素釩微量添加于不銹 鋼之中的作用進(jìn)行了研究，結(jié)果表明錯(cuò)

6、元素能有效的改善鋼液中夾雜物的形態(tài)和 分布，具有一定的精煉作用，但降低了鑄造不銹鋼的耐腐蝕性能；釩元素對(duì)改善 鑄造不銹鋼的組織，提高耐腐蝕性能有益，但影響不明顯。氮（N）：氮有穩(wěn)定奧氏體的作用，可增強(qiáng)不銹鋼的抗局部腐蝕（點(diǎn)蝕及縫 隙腐蝕）能力，并能減少相析出，防止高溫脆性，使奧氏體具有良好的抗敏化能 力。等人20認(rèn)為氮可能形成NH4+與自由Cl-離子結(jié)合成化合物，降低不銹鋼的 陽(yáng)極溶解速率，即減低點(diǎn)蝕形成過(guò)程的自催化效應(yīng)。陽(yáng)極溶解的過(guò)程中，表面形 成氮化物可阻礙鋁的溶解，使鋁駐留在鈍化膜內(nèi)，因此提高不銹鋼的局部腐蝕性 能。實(shí)驗(yàn)觀察還發(fā)現(xiàn)氮化鐵在酸性溶液中更容易溶解，而鉻和鋁的氮化物則更穩(wěn) 定，

7、因此氮的存在會(huì)加速有益元素鉻或鋁在蝕孔表面偏聚，形成耐蝕性能更好的 鈍化膜21。氮還有提高抗高溫氧化的能力（900C），滲氮處理后的不銹鋼表面 氧化速率降低，且不易形成氧化22。氮在鋼中的溶解度有限（%），加入 鉻和猛能提高其溶解度，加入鎳和碳能減少其溶解度。氮與鉻的親和力要 比碳與鉻的親和力小，奧氏體鋼很少見(jiàn)到Cr2N的析出。因此，加適量的氮能在提高鋼的強(qiáng)度和抗氧化性能的同時(shí)，不降低不銹鋼的抗晶間腐蝕性能。以氮 代碳，開(kāi)發(fā)含氮不銹鋼已成為熱門(mén)話題。硅（Si）： Si是強(qiáng)鐵素體形成元素，其鉻當(dāng)量為，在一般不銹鋼中為常存 雜質(zhì)元素。大量研究表明Si對(duì)不銹鋼的耐氯離子腐蝕性能是有利的，隨著不銹 鋼

8、中硅含量的增加，鋼在含氯離子的溶液中的點(diǎn)蝕電位向正方向移動(dòng)23, 24。 Si可提高耐蝕性能是因?yàn)樵诖嬖谘趸瘎ㄈ鐝?qiáng)酸）的介質(zhì)中，Si會(huì)在不銹鋼表 面層富集提高了不銹鋼表面的鈍化能力，且實(shí)驗(yàn)觀測(cè)到鈍化膜層中Cr和Si的分 布幾乎是同步的24，說(shuō)明Si的偏聚促進(jìn)了 Cr的偏聚和鈍化膜的形成。有文獻(xiàn) 16報(bào)道由于Si在不銹鋼表面富集改善了氧化膜的形態(tài)，提高了含CuAISI 304 不銹鋼在50C以上的硫酸溶液中的表面自鈍化能力，但2%的Si會(huì)加強(qiáng)晶界腐 蝕，隨著基體內(nèi)硅含量增加（2%3%），晶界腐蝕減弱，Hermas16將其原因歸 結(jié)為晶界和晶粒表面的鈍化膜內(nèi)的Si含量不同導(dǎo)致鈍化膜的保護(hù)能力不同

9、。也 有文獻(xiàn)報(bào)道在一定的溫度區(qū)間（6001000C），硅增大了碳的活性，發(fā)現(xiàn)硅含 量較大時(shí)，有助于碳化鉻的沉淀，促進(jìn)了貧鉻區(qū)的形成25。這也可能是硅導(dǎo)致 晶界腐蝕的原因。鉆（Co）：鉆元素的加入增大了鑄態(tài)SUS304不銹鋼點(diǎn)腐蝕敏感性，降低了 鑄態(tài)SUS304不銹鋼耐點(diǎn)腐蝕性能，當(dāng)鉆含量小于%時(shí)，點(diǎn)腐蝕速率沒(méi)有增加， 當(dāng)鉆含量為%和%時(shí)，點(diǎn)腐蝕速率明顯增大26。猛（Mn）:在鉻不銹鋼中加入錳，不形成夾雜的情況下對(duì)鋼的耐蝕性沒(méi)有 多大的影響17。但M n能和鋼中的S結(jié)合成MnS夾雜。M n S在酸性溶液中 的溶解速率較大，是孔蝕的敏感點(diǎn)。隨著Mn含量的增加合金的腐蝕率增大，孔 蝕電位下降。因此，

10、增加合金的M n含量對(duì)抗孔蝕是不利的24。鋁（AI）：鋁有很強(qiáng)的脫氧能力，鑄造過(guò)程中加鋁脫氧生成的AI2O3多以固 態(tài)夾雜物形式殘留在金屬內(nèi)部。一些研究指出在含S、Mn量較高的不銹鋼中， 包含AI2O3的復(fù)合硫化猛、硫化鈣夾雜物是點(diǎn)蝕成核的最敏感地區(qū)，大大加重不 銹鋼的點(diǎn)蝕現(xiàn)象27。因此，AI對(duì)不銹鋼耐蝕性能是不利的。磷（P）： P是不銹鋼中的雜質(zhì)元素。一般認(rèn)為，磷會(huì)提高鋼的抗應(yīng)力腐蝕 裂紋敏感性和抗焊接腐蝕裂紋性,對(duì)腐蝕性能是有害的。磷導(dǎo)致氧濃差電流增大, 影響了鈍化膜形成和愈合過(guò)程對(duì)不銹鋼抗孔蝕是有害的。隨著磷含量的增高，孔 蝕電位下降，降低了不銹鋼對(duì)孔蝕的抗力，不銹鋼抗點(diǎn)蝕和晶界腐蝕性能

11、愈差。 但是，在有合金元素Cu存在的情況下，P對(duì)耐蝕性能有一定的好處。例如，Hermas 等人16認(rèn)為P降低了硫酸溶液中不銹鋼電極在初始階段的孔蝕電位且加速了 陽(yáng)極溶解，但隨著腐蝕時(shí)間的增加，含P%鋼的陽(yáng)極腐蝕電流增長(zhǎng)速度比含P% 的鋼慢很多。因?yàn)槌跏紩r(shí)P增加了不銹鋼活性溶解，表面會(huì)富集Cu2+，抑制了陽(yáng) 極進(jìn)一步溶解，即P可降低孔蝕形成過(guò)程的自加速效應(yīng)。也有一些文獻(xiàn)報(bào)道，雜質(zhì)P對(duì)一些含Cu的鎳鋼和14Cr-16Ni-2Cu-3A1鋼在3% NaCI溶液中的耐氯離子 腐蝕性能有積極的作用28, 29。梁等人24對(duì)不同P含量的不銹鋼（含銅）進(jìn) 行觀測(cè)發(fā)現(xiàn)隨著P含量增加不銹鋼的致鈍電流和致鈍電位下

12、降，說(shuō)明P會(huì)抑制不 銹鋼的活性溶解。.硫（S）和硒（Se）:硫和硒在一般不銹鋼中是常有雜質(zhì)元素，均降低不銹 鋼的腐蝕性能。硫是焊縫中常存的有害元素之一，能促使焊縫金屬產(chǎn)生熱裂紋、 降低沖擊韌度和耐腐蝕性。硫化猛（MnS）夾雜對(duì)耐點(diǎn)蝕性能有害，研究發(fā)現(xiàn)在酸 性環(huán)境中MnS夾雜具有較強(qiáng)的溶解能力，它的溶解會(huì)誘發(fā)點(diǎn)燭萌生30-32。氫（H）：氫會(huì)促進(jìn)不銹鋼的陽(yáng)極溶解，降低鈍化膜的穩(wěn)定性，因而增加點(diǎn) 蝕敏感性。33研究表明不銹鋼中的氫和溶液中氯離子都可以增加陽(yáng)極電流密 度，增加幅度不僅僅是兩者各自效果的疊加，而是H和氯離子有協(xié)同作用提高陽(yáng) 極電流密度。H還可以通過(guò)降低擊穿電位而加強(qiáng)氯離子的腐蝕作用。H

13、和氯離子 降低鈍化膜的穩(wěn)定性，阻礙再鈍化反應(yīng)。鈍化膜破壞的臨界氯離子濃度隨著充氫 電流密度增加而降低；或者說(shuō)鈍化膜破壞的電流密度的臨界值隨著氯離子濃度增 加而降低。含氫或不含氫的鈍化膜都具有n型半導(dǎo)體性質(zhì)。鈍化膜中的氫可以增 加施主濃度而氯離子沒(méi)有這個(gè)作用。鈍化膜破壞與鈍化膜的電子特性有直接關(guān) 系，尤其是能帶結(jié)構(gòu)中的局部狀態(tài)。氫與氯離子對(duì)鈍化能力的作用可以用電子模 型很好的解釋。稀土元素：稀土元素對(duì)不銹鋼的耐蝕性能是有利的，比如鈰（Ce）。鈰離子 的注入可以顯著的降低不銹鋼電極的陰極和陽(yáng)極反應(yīng)速率，達(dá)一個(gè)數(shù)量級(jí)以上， 提高不銹鋼的耐狹縫腐蝕能力。因?yàn)殁嬓纬煞€(wěn)定的氧化物，分布在陰、陽(yáng)極活性 表面位置，減少活性表面，從而降低了反應(yīng)速率34。大多稀土元素對(duì)抗腐蝕性 能有積極作用：1）適量稀土使不銹鋼的熱力學(xué)穩(wěn)定性