第九章 金屬材料的耐蝕性能

材料腐蝕與防護(hù)貴州大學(xué)材料與冶金學(xué)院第九章金屬材料的耐蝕性能

9.1純金屬的耐蝕性能9.2提高金屬材料耐蝕性的合金化原理和途徑9.3各類耐蝕金屬材料

9.1.1熱力學(xué)穩(wěn)定性一般情況下，各種純金屬的熱力學(xué)穩(wěn)定性可根據(jù)其標(biāo)準(zhǔn)電極電位值作出近似的判斷。標(biāo)準(zhǔn)電極電位較正的金屬，其熱力學(xué)穩(wěn)定性也較高；較負(fù)的則穩(wěn)定性較低。根據(jù)PH＝7(中性溶液)和pH＝0(酸性溶液)，氧和氫的平衡電極電位分別為+0.815v，+1.23V及-0.414v，0.000V，可粗略地把金屬分為四類，見(jiàn)下表：

9.1純金屬的耐蝕性9.1.2自鈍性在熱力學(xué)不穩(wěn)定的金屬中，很多金屬在適宜的條件下，由活化態(tài)轉(zhuǎn)為鈍化態(tài)而耐蝕。最容易鈍化的金屬有Zr、Ti、Ta、Nb、A1、cr、Be、Mo、Mg、Ni、co等。多數(shù)可鈍化的金屬都是在氧化性介質(zhì)中易鈍化，如在HNO3中及強(qiáng)烈通空氣的溶液中；而當(dāng)介質(zhì)中含有活性離子(C1-、Br-、F-)時(shí)．以及在還原性介質(zhì)中大部分金屬的鈍態(tài)會(huì)受到破壞。

9.1.3生成保護(hù)性腐蝕產(chǎn)物膜在腐蝕過(guò)程中由于生成較致密的保護(hù)性能良好的腐蝕產(chǎn)物膜而耐蝕。9.2提高金屬材料耐蝕性的合金化原理和途徑

9.2.1提高合金熱力學(xué)穩(wěn)定性用熱力學(xué)穩(wěn)定性高的元素進(jìn)行合金化。即，是向本來(lái)不耐蝕的純金屬或合金個(gè)加入熱力學(xué)穩(wěn)定性高的合金元素(貴金屬)使之成為固溶體，提高合金的熱力學(xué)穩(wěn)定性。

9.2.2阻滯陰極過(guò)程

（適用于不產(chǎn)生鈍化的活化體系）其主要由陰極控制的腐蝕過(guò)程，具體途徑有以下兩種：（1）減少合金的陰極活性面積減少這些陰極相或夾雜物，就是減少了活性陰極的面積．從而增加陰極極化程度，阻滯陰極過(guò)程，提高合金的耐蝕性?？刹捎脽崽幚矸椒?固溶處理)．使合金成為單相固溶體，消除活性陰極第二相，提高合金的耐蝕性。相反，退火或時(shí)效處理將降低其耐蝕性。

（2）加入析氫過(guò)電位高的合金元素適用于由析氫過(guò)電位控制的析氫腐蝕過(guò)程。合金中加入析氫過(guò)電位高的合金元素，來(lái)提高合金的陰極析氫過(guò)電位，降低合金在非氧化性或氧化性不強(qiáng)的酸中的活性溶解速度。

9.2.3降低合金的陽(yáng)極活性

減少陽(yáng)極面積合金的第二相相對(duì)基體是陽(yáng)極相，在腐蝕過(guò)程中減少這些微陽(yáng)極相的數(shù)量．可加大陽(yáng)極極化電流密度，增加陽(yáng)極極化程度，阻滯陽(yáng)極過(guò)程的進(jìn)行，提高合金耐蝕性。晶界細(xì)化或鈍化來(lái)減少合金表面的陽(yáng)極面積也是可行的。加入易鈍化的合金元素

加入陰極性合金元素促進(jìn)陽(yáng)極鈍化適用于可能鈍化的金屬體系(合金與腐蝕環(huán)境)。金屬或合金中加入陰極性合金元素，可促使合金進(jìn)入鈍化狀態(tài)，從而形成耐蝕合金。

9.2.4使合金表面生成高耐蝕的腐蝕產(chǎn)物膜

加入一些合金元素促使在合金表面生成致密、高耐蝕的保護(hù)膜，從而提高合金的耐蝕性。如在鋼中加入Cu、P等合金元素，能使低合金鋼在一定條件下表面生成一種耐大氣腐蝕的非晶態(tài)的保護(hù)膜。上述幾種途徑是提高合金耐蝕性的總原則。由于腐蝕過(guò)程十分復(fù)雜，研制耐蝕合金時(shí)應(yīng)根據(jù)合金使用的環(huán)境選擇適宜的途徑，才能提高合金的耐蝕性。9.3各類耐蝕金屬材料9.3.1鐵的電化學(xué)性質(zhì)及其耐蝕性

鐵形成鐵離子的標(biāo)準(zhǔn)平衡電位。從熱力學(xué)上看，鐵是不穩(wěn)定的，與鐵的平衡電位相近、甚至電位很負(fù)的金屬相比．鐵在自然環(huán)境(大氣、天然水、土壤等)中的耐蝕性能較差。如Fe與A1、Ti、zn、Ni等金屬相比，在自然條件下，鐵是不耐蝕的。鐵在鹽酸中的腐蝕速度是隨著酸的濃度增加，腐蝕速度按指數(shù)關(guān)系上升。鐵在硫酸中，如前圖所示：鐵在堿中的腐蝕，在常溫下，鐵和鋼在堿中是十分穩(wěn)定的，但當(dāng)NaOH質(zhì)量分?jǐn)?shù)高于30％時(shí)，膜的保護(hù)作用下降，膜以鐵酸鹽形式溶解，隨著溫度升高，溶解加劇。當(dāng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到50％時(shí)，鐵強(qiáng)烈地被腐蝕。鐵在氨溶液中是穩(wěn)定的，但在熱而濃的氨溶液中鐵的溶解速度緩慢增加。合金元素對(duì)鐵的耐蝕性的影響1）合金元素對(duì)鐵的陽(yáng)極極化曲線特性點(diǎn)的影響總體說(shuō)，cr、Ni、Mo、si等合金元素對(duì)Fe的耐蝕性是有利的。

2）陰極性合全元素對(duì)Fe的耐蝕性影響

Pd、Pt、cu等陰極性元素對(duì)Fe的鈍化行為的影響如圖前圖所示。3）合金元素對(duì)Fe基合全耐蝕性的影響*鉻是很容易鈍化的金屬，也是不銹鋼的基本合金元素。不同含Cr量對(duì)Fe—Cr合金的腐蝕電位ER及臨界鈍化電位Eb的影響如圖所示。隨著含cr量增加，合金的ER和Eb均逐漸向負(fù)方向移，臨界鈍態(tài)電流密度ib和鈍態(tài)電流ip逐漸降低，這說(shuō)明Fe—cr合金中cr量愈高合金愈易鈍化，合金愈耐腐蝕。*鎳也是屬易鈍化的金屬，其鈍化傾向比Fe大，但不如cr。Ni的熱力學(xué)穩(wěn)定性比Fe高。

見(jiàn)下圖為Fe-Ni合金的電化學(xué)行為同Ni含量的關(guān)系。Ni在Fe-Ni合金中的作用，不是鈍化作用，而是提高合金熱力學(xué)穩(wěn)定性的作用。因此，利用鎳在還原介質(zhì)中的耐蝕性，與鉛的優(yōu)良鈍化性能相配合，使不銹鋼既耐氧化性介質(zhì)腐蝕，也對(duì)不太強(qiáng)的還原性介質(zhì)具有一定的耐蝕性。

*鉬的加入能夠促進(jìn)Fe-Cr合金鈍化，合金元素Mo使合金耐還原性介質(zhì)腐蝕，尤其耐氯離子腐蝕(耐點(diǎn)蝕)。不同含Mo量的Fe—18Cr合金在2mo1／L的H2SO4中的陽(yáng)極極化曲線．如圖所示?？梢钥闯觯弘SMo含量增加ER向正移，臨界鈍化電流密度jb顯著降低；陽(yáng)極極化曲線上活性溶解區(qū)相應(yīng)縮短，合金的鈍化區(qū)范圍擴(kuò)大，提高了合金穩(wěn)定性。合金元意Mo改善了耐點(diǎn)蝕性能。隨著Mo量增加，點(diǎn)蝕電位Ebr向正方向移動(dòng)，合金耐點(diǎn)蝕性能顯著提高。9.3.2耐蝕鑄鐵及其應(yīng)用普通鑄鐵是不耐腐蝕的。為提高鑄鐵的耐蝕性，在鑄鐵中加入各種合金元素，如si、Ni、cr、Mo、A1、cu等，形成各類耐蝕鑄鐵。如高硅鑄鐵，鎳鑄鐵，鉻鑄鐵．鋁鑄鐵等。高硅鑄鐵

在C質(zhì)量分?jǐn)?shù)為o．5％一1．1％的鑄鐵中加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為14％一18％的si可使其具有優(yōu)良的耐酸性能。高硅鑄鐵的含硅量與耐蝕性的關(guān)系示于圖。當(dāng)M(si)＝14．5％時(shí)，腐蝕速度有明顯的降低，但si質(zhì)量分?jǐn)?shù)一般不大于18％，否則嚴(yán)重降低力學(xué)性能。M(si)＞14％的合金鑄鐵稱為高si鑄鐵：：它對(duì)各種無(wú)機(jī)酸包括Hcl均有良好的耐蝕性能。M(si)＞15％時(shí)會(huì)形成價(jià)穩(wěn)定的η相(Fe5Si2)，所以多數(shù)耐蝕鑄鐵si質(zhì)量分?jǐn)?shù)不大于15％。高si鑄鐵在Hcl中耐蝕性不如在H2S04和HN03中好，為此通常把si質(zhì)量分?jǐn)?shù)提高到18％，并加入質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3％的Mo。

高si鑄鐵在H3P04中耐蝕性良好，在98℃以下，各種濃度的H3P04中的腐蝕速度一般不超過(guò)0．1mm／a．最高不超過(guò)0．2mm／a。但高si鑄鐵不耐堿腐蝕。鎳鑄鐵

鎳與硅一樣，是促進(jìn)鑄鐵石墨化的元素，但其作用僅為硅的1／3。Ni在鑄鐵中既不形成碳化物，也不固溶于滲碳體中，而是全部溶于基體中。依據(jù)Ni含量不同，可把鎳鑄鐵分為低鎳鑄鐵，中鎳鑄鐵及高鎳鑄鐵。高鎳鑄鐵對(duì)各種無(wú)機(jī)和有機(jī)還原性稀酸，以及各類堿性溶液都有很高的耐蝕性。在高溫高濃度的堿性溶液中，甚至在熔融的堿中都耐蝕，如下圖所示。但在氧化性酸(如HNO3)中，耐蝕性較差。高鎳鑄鐵對(duì)海洋大氣、海水和中性鹽類水溶液具有非常好的耐蝕性，所以，它是海水談化裝置中(海水泵等)的理想材料。低鎳鑄鐵(M(Ni)＝2％一3％)可提高鑄鐵的耐堿腐蝕性能，如低鎳鑄鐵用作濃縮燒堿的蒸煮鍋等。鉻鑄