合金元素对铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响

第一作者简介：刘继明，男，１９７６年生，１９９８年参加长治钢铁（集团）有限公司负责全公司连铸坯质量管理工作，助理工程师，现为西安建筑科技大学钢铁冶金专业研究生。

邮编：７１００５５。

文章编号：１６７２－１１５２
（２００５）０４－０００９－０４收稿日期：２００５－０９－２６
合金元素对铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响
西安建筑科技大学
刘继明梁建宇
摘
要
通过研究Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂ等合金元素对铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响，表明了在一定腐蚀剂条件下
Ｃｕ、Ｍｏ能提高铁素体不锈钢的抗点腐蚀性能，Ｎｂ可以提高铁素体不锈钢的抗晶间腐蚀和抗大气腐蚀的性能，
为开发新的铁素体不锈钢钢种提供科学依据。

关键词
合金元素（Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂ）
铁素体不锈钢抗腐蚀性
中图分类号：ＴＧ１１３．２３＋１
文献标识码：Ａ
不锈钢是重要的耐蚀结构材料，广泛应用于国民经济和国防建设中，是核能、化工、石油、轻工、纺织、航空、航天、汽车、火力和水力发电、海洋开发等工业部门所需材料，尤其是铁素体不锈钢，具有良好的抗腐蚀性能。

与奥氏体不锈钢相比较，铁素体不锈钢的成本较低，因此铁素体不锈钢的应用范围在不断扩大。

据国内不锈钢专家分析，奥氏体不锈钢中有
４０％￣５０％可用价廉物美的铁素体不锈钢所取代［１］。

据报道，国外铁素体∶奥氏体为４∶６，而我国仅为１∶９，
所以我国铁素体不锈钢有很大的发展前景。

１
Ｃｕ对铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响
关于Ｃｕ对不锈钢的腐蚀性能的影响，已有不少研究。

普遍认为Ｃｕ能提高不锈钢抗全面腐蚀能力是由于沉淀Ｃｕ附在钢的腐蚀表面抑
制了阳极溶解，而达到抗腐蚀的效果，但是对铁素体不锈钢抗局部腐蚀还有待于
研究。

下面分别以２２Ｃｒ－０．５Ｎｂ和１８Ｃｒ－
２Ｍｏ铁素体不锈钢加Ｃｕ来说明Ｃｕ对铁
素体不锈钢抗腐蚀性能的影响。

１．１Ｃｕ对２２Ｃｒ－０．５Ｎｂ铁素体不锈钢抗腐蚀性影响［２］
表１是实验试样的成分表，试样分别在８０℃的
０．１ＭＨ２ＳＯ４溶液
（０．１ＭＨ２ＳＯ４溶液指浓度为０．１ｍｏｌ／Ｌ的Ｈ２ＳＯ４溶液，以下相同）、３５℃的０．３７ＭＦｅＣｌ３＋０．０５ＭＨＣｌ溶液、８０℃的１．２ＭＮａＣｌ＋０．３ＭＨ２Ｏ２溶液中腐蚀２４ｈ，然后测量腐蚀率。

实验结果见下页图１，可以看出不管在哪种溶液中加Ｃｕ对铁素体不锈钢抗局部腐蚀都是有利的，因为Ｃｕ的加入铁素体不锈钢溶解Ｃｕ沉淀在点腐蚀上，抑制了阳极溶解。

但是从图１中也可以看出在含Ｃｌ－的溶液中Ｃｕ对铁素体不锈钢的抗腐蚀性能提高不太明显，特别是含Ｆｅ３＋的溶液，其抗腐蚀性能
ＥｆｆｅｃｔｏｆＡｌｌｏｙｉｎｇＥｌｅｍｅｎｔｓｏｎＣｏｒｒｏｓｉｏｎＲｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆ
ＦｅｒｒｉｔｉｃＳｔａｉｎｌｅｓｓＳｔｅｅｌ
Ｘｉ’ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬＩＵＪｉｍｉｎｇ
ＬＩＡＮＧＪｉａｎｙｕ
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｏｆａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔａｎｄｓｏｏｎｔｈｅＣｕ、Ｍｏ、Ｎｂｉｎｆｅｒｒｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｉｓｓｔｕｄｉｅｄ．ＴｈｉｓｐａｐｅｒｉｎｄｉｃａｔｓｔｈａｔＣｕ、Ｍｏｃａｎｅｎｈａｎｃｅａｎｔｉ－ｐｉｔｔｉｎｇｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｎｔｈｅｆｅｒｒｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｕｎｄｅｒｔｈｅｃｅｒｔａｉｎｃｏｒｒｏｓｉｖｅｃｏｎｄｉｔｉｏｎａｎｄｔｈａｔＮｂｍａｙｅｎｈａｎｃｅｔｈｅａｎｔｉ－ｉｎｔｅｒｃｒｙｓｔａｌｌｉｎｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎａｎｄｔｈｅｃｍｔｉａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃｃｏｒｒｏｓｉｏｎｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｏｎｔｈｅｆｅｒｒｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ．Ｔｈｅｓｅｐｒｏｖｉｄｅｔｈｅｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃｂａｓｉｓｆｏｒｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇｔｈｅｎｅｗｔｙｐｅｆｅｒｒｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ．
ＫｅｙＷｏｒｄｓａｌｌｏｙｉｎｇｅｌｅｍｅｎｔｓ
（Ｃｕ、Ｍｏ、Ｎｂ），ｆｅｒｒｉｔｉｃｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌ，ｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅＦ１Ｆ２
（Ｃ）
０．０３３０．０３１
（Ｓｉ）
０．３４０．３１
（Ｍｎ）
０．１６０．１５
（Ｐ）
０．０２６０．０２８（Ｓ）
０．００５０．００６
（Ｃｒ）
２２．６２２．２
（Ｎｉ）
０．２００．２１
（Ｃｕ）
－０．５５
（Ｎｂ）
０．５５０．５３
（Ｎ）
０．０１４０．０１４
标号
ｗ／％
表１２２Ｃｒ－０．５Ｎｂ铁素体不锈钢成分
山西冶金
ＳＨＡＮＸＩＭＥＴＡＬＬＵＲＧＹ
总第１００期２００５年第４期
Ｔｏｔａｌ１００
Ｎｏ．４，２００５
标号
Ｒ１Ｒ２
（Ｓｉ）
０．０１０．０１
（Ｍｎ）
０．０１０．０１
（Ｐ）
０．００２０．００２（Ｓ）
０．０００４０．０００３（Ｃｕ）
０．０１０．０１
（Ｃｒ）
１８．１６１７．９９
（Ｎｉ）
０．０１０．０１
（Ｍｏ）
２．０５５．１２
（Ａｌ）０．０１０．０１
ｗ／％
表２
ｗ
（Ｆｅ）－１８％，ｗ（Ｃｒ）－ｘ％Ｍｏ铁素体不锈钢成分总体比较差，这是由于发生了阳极反应：Ｆｅ３＋＋ｅ＝Ｆｅ２＋的原因，这也证实了不锈钢在含Ｆｅ３＋的盐酸中所遭受的腐蚀比在纯盐酸中要更严重这一现象［３］。

１．２Ｃｕ对１８Ｃｒ－２Ｍｏ铁素体不锈钢抗局部腐蚀性
能的影响
文献［４］中也指出：在１８Ｃｒ－２Ｍｏ铁素体不锈钢
中添加０．５５％的Ｃｕ在整个ｐＨ范围内，尤其在酸性介质中能提高抗点蚀性能。

这是由于在铁素体不锈
钢溶解过程中Ｃｕ２－在表面的再次还原富集引起的。

这种铁素体不锈钢表面Ｃｕ的富集可使活化峰的临界电流密度变小，也就是降低了铁素体不锈钢的活性溶解度，从而达到抗腐蚀作用。

１．３小结
（１）铁素体不锈钢中加Ｃｕ可以提高铁素体不
锈钢抗点腐蚀能力；
（２）铁素体不锈钢中加Ｃｕ对含Ｃｌ－的腐蚀溶液影响不大，特别是在含有Ｆｅ３＋的溶液，其抗腐蚀性能总体比较差。

（３）为了提高铁素体不锈钢的抗腐蚀性，加Ｃｕ便利ｗ（Ｃｕ）以０．５５％左右为宜。

２Ｍｏ对铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响
文献［５］指出：高纯（ｗ（Ｃｒ）为１６％￣３０％）的铁素体不锈钢常含有１％￣４％的
Ｍｏ，以改善其耐非氧化性介质、
点蚀和缝隙腐蚀等性能，对晶间腐蚀还起到一定的延迟敏化作用，其它有关文献也证实了铁
素体不锈钢中的Ｍｏ在含Ｃｌ－的溶液中可以提高抗点蚀和缝隙腐蚀。

下面以Ｆｅ—ｗ（Ｃｒ）为１８％—ｗ（Ｍｏ）为ｘ％为例说明Ｍｏ对铁素体不锈钢抗点蚀性能的影响，以及Ｍｏ对超纯铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响。

２．１
Ｍｏ对铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响［６］
表２是实验试样的成分表。

试样在试剂为１Ｍ的ＬｉＢｒ和ＬｉＣｌ的水溶液中腐蚀。

实验测量结果如图２。

可以看出点蚀电势随Ｍｏ含量的增加而增大，这说明了铁素体不锈钢中Ｍｏ对点蚀有抑制作用，而且Ｍｏ对含Ｃｌ－比Ｂｒ－１的影响更大。

２．２Ｍｏ对超纯铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响［７］
试样成分见表３。

试验腐蚀用挂片法，腐蚀速度用矢量法测量。

腐蚀条件见下页表４。

试验的腐蚀速度及耐蚀性评级见下页表５。

可以看出含Ｍｏ超纯铁素体不锈钢在碱性溶液中抗腐蚀性能很高。

从成分上来分析，之所以这些超纯铁素体不锈钢有这样高的抗腐蚀性能除了与Ｃｒ含量有关外还与Ｍｏ含量有关，总体来说平均腐蚀速度随Ｍｏ含量的增加而降低。

也就是说超纯铁素体不锈钢腐蚀率／（ｇ・ｍ－２・ｈ－１）
１０２
１０１
１００
１０－１
０．３７ＭＦｅＣｌ３＋０．０５ＭＨＣｌ
３５℃
０．１ＭＨ２ＳＯ４
８０℃
１．２ＭＮａＣｌ＋０．３ＭＨ２Ｏ２
８０℃
０．２
０．４０．６０．８
ｗ
（Ｃｕ）／％图１含Ｃｕ的２２Ｃｒ－０．５Ｎｂ铁素体
不锈钢在不同溶液中的腐蚀率
０
２４６８１０１２
１０００
５００
０
１ＭＬｉＣｌ
１ＭＬｉＢｒ
点蚀电势／（ｍＶ・ｓ－１）（ＳＣＥ）
图２
在Ｆｅ—ｗ（Ｃｒ）为１８％—ｗ（Ｍｏ）为ｘ％铁素体不锈钢中Ｍｏ含量对点蚀电势的影响
标号
０００Ｃｒ２６Ｍｏ０００Ｃｒ３０Ｍｏ２（Ｃ）
０．００２１０．００８０（Ｓｉ）
０．３４０．２４
（Ｍｎ）
０．０３０．０３
（Ｓ）
０．０１５０．０１３（Ｐ）
０．０１２０．０３０（Ｃｒ）
２５．９７２９．３６（Ｍｏ）１．０５１．８８（Ｎｉ）
０．２０．２
（Ｎ）
０．００８０．００７
（Ｏ）
１７×１０－６３０×１０－６
（Ｈ）—０．９×１０－６
ｗ／％
表３
试样成分
・１０
・２００５年第４期
（Ｃ）０．０１
（Ｓｉ）
０．２１
（Ｍｎ）
０．２０
（Ｃｒ）
２２．１
（Ｍｏ）
１．２３
（Ｎｂ）
０．２５
（Ｔｉ）
０．１９
（Ａｌ）
０．０８
（Ｎ）
０．０１
ｗ／％
表６耐大气腐蚀ｗ（Ｃｒ）为２２％－ｗ（Ｍｏ）为１．２％
的铁素体不锈钢的成分
试验条件
二效（ρ／（ｇ・Ｌ－１））
ｗ／％
三效（ρ／（ｇ・Ｌ－１））
ｗ／％
的抗腐蚀性能随Ｍｏ含量的增加而提高。

２．３小结
（１）铁素体不锈钢中加Ｍｏ可以提高其点蚀电势，从而提高抗点蚀性能。

（２）铁素体不锈钢的抗腐蚀性能随着Ｍｏ含量的增加而提高。

（３）铁素体不锈钢中含Ｍｏ对抗含Ｃｌ－的腐蚀更显著，而且ｗ（Ｍｏ）在５％之内随其含量的增加抗Ｃｌ－腐蚀显著提高。

３Ｎｂ对铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响
铁素体不锈钢中加Ｎｂ可以防止晶间腐蚀［８，９］，下面以ｗ（Ｃｒ）为１２％的铁素体不锈钢和ｗ（Ｃｒ）为２２％的铁素体不锈钢为例，来说明Ｎｂ对铁素体不锈钢的腐蚀性能的影响。

３．１Ｎｂ对ｗ（Ｃｒ）为１２％的铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响
４０１Ｌ和４０９铁素体不锈钢在ＮＯＸ、ＳＯＸ和ＨＣ等废气下，当废气温度在４００℃￣５００℃时析出碳化铬，导致晶界贫铬，随后产生晶间腐蚀［８］，而且在７００℃附近也易于敏化。

图５是Ｎｂ（Ｔｉ或Ｎｂ和Ｔｉ）含量对铁素体不锈钢焊缝区晶间腐蚀的影响。

从图３可以看出铁素体不锈钢中Ｎｂ可以抑制晶间腐蚀。

因为ＭＡＧ焊缝区比点焊区更容易析出碳化铬，因此抑制ＭＡＧ焊缝区晶间腐蚀所需的ｗ（Ｎｂ）大于７（Ｃ＋Ｎ）％＋０．３５％，点焊的情况下所需的ｗ（Ｎｂ）大于７（Ｃ＋Ｎ）％＋０．１５％。

另外有腐蚀试验表明，合金元素有一个最佳的稳定比率（Ｔｉ＋Ｎｂ）／（Ｃ＋Ｎ）为９，在此条件下不锈钢表现出优良的抗晶间腐蚀能力。

图４（见下页）是４０１Ｌ铁素体不锈钢在５００℃时
效１０ｈ后的显微组
织，从图中可以看出
铁素体不锈钢加Ｎｂ
可以提高抗腐蚀性
能。

３．２Ｎｂ对ｗ（Ｃｒ）为
２２％的铁素体不锈钢
抗腐蚀性能的影响
铁素体不锈钢
具有良好的耐大气
腐蚀性，在铁素体不
锈钢中加入Ｎｂ和
Ｔｉ，见表６。

在８０℃的ｗ（ＮａＣｌ）为２０％的溶液中测量点蚀电位，其结果见下页图５。

从图５中可以看出随着Ｎｂ含量的增加，点蚀电位有降低的趋势，因此在这种溶液中ｗ（Ｎｂ）控制在０．２５％之内。

图６（见下页）是Ｎｂ对周期腐蚀试验后试样的锈蚀面积的影响，可以看出铁素体不锈钢中加Ｎｂ后锈蚀面积最小，说明加Ｎｂ可以提高铁耐蚀性评级
腐蚀速度ｍｍ／ａ
平均／（最低￣最高）０．００４５３／（０．００１７８￣０．００７２９）０．００６４９／（０．００３８０￣０．０１２４）０．００２４９／（０．０００１９９￣０．００６３７）０．００６１２／（０．００１２１￣０．０１０８）
中３级
１．耐蚀级
１．耐蚀级
１．耐蚀级
１．耐蚀级
美、德４级
１优级
１优级
１优级
１优级
苏１０级
３．很耐蚀
４．很耐蚀
３．很耐蚀
４．很耐蚀
材料
０００Ｃｒ２６Ｍｏ０００Ｃｒ３０Ｍｏ２试样放
置位置
二效
三效
二效
三效
表５腐蚀速度及耐蚀性评级
ｗ
（
Ｎ
ｂ
）
／
％
，
ｗ
（
Ｔ
ｉ
）
／
％
，
ｗ
（
Ｎ
ｂ
＋
Ｔ
ｉ
）
／
％
图３Ｎｂ（Ｔｉ或Ｎｂ＋Ｔｉ）含量对
铁素体不锈钢焊缝区晶间腐蚀的影响
○
○
○
○
□
□▲
▲
▲
▲
○含Ｎｂ钢
"含Ｔｉ钢
□含Ｎｂ．Ｔｉ钢
空心
半实心
实心
点焊
无ＬＧＣ
无ＬＧＣ
ＬＧＣ
ＭＡＧ焊接
无ＬＧＣ
ＬＧＣ
ＬＧＣ
００．０１０．０２０．０３０．０４０．０５
ｗ（Ｃｒ）为１１％～１３％
的碳钢，在５００℃
下加热１０ｈ，然后
在６０℃进行施特
劳斯晶间腐蚀试验
０．７
０．６
０．５
０．４
０．３
０．２
０．１
０
○
ｗ（Ｃ＋Ｎ）／％
○○○
○
○
○
点焊
ＭＡＧ焊接
Ｎｂ≥７（Ｃ＋Ｎ）＋０．３５
Ｎｂ，Ｔｉ≥７
（Ｃ＋Ｎ）＋０．１５
温度／℃
正常／（最低￣最高）
１４０／（１１０￣１５０）
１００／（８０￣１１０）
时间／ｈ
７７５￣８４０
７７５￣８４０
ＮａＯＨ
３００￣５００
２３￣３５
５００￣６５０
３５￣４４
Ｎａ２ＣＯ３
４．７￣３４．６
０．３￣２．４
２０￣３０
１．５￣２．０
Ｎａ２ＳＯ４
３５￣５３
２．４￣４．２
２０￣４０
２￣３
ＮａＣｌ
２６．５￣４５．４
２．１￣３．２
４０￣５０
２．５￣３．５
Ｈ２Ｏ
余量
余量
余量
余量
表４腐蚀试验条件
《山西冶金》Ｅ－ｍａｉｌ：ｙｅｊｉｎｓｘ＠１２６．ｃｏｍ・１１・
素体不锈钢的抗大气腐蚀性能。

３．３
小结
（１）铁素体不锈钢中加Ｎｂ可以提高抗晶间腐蚀。

（２）铁素体不锈钢中加ｗ（Ｎｂ）小于０．２５％的Ｎｂ
可以提高抗大气腐蚀性能。

４结论
（１）铁素体不锈钢中加Ｃｕ可以提高抗点腐蚀
性能，ｗ（Ｃｕ）以０．５５％左右为宜。

（２）铁素体不锈钢中加Ｍｏ可以提高抗点腐蚀性能，ｗ（Ｍｏ）在５％之内。

（３）Ｍｏ能提高超纯铁素体不锈钢的抗腐蚀作用，且随Ｍｏ含量的增加而提高。

（４）铁素体不锈钢中加Ｎｂ可以提高抗晶间腐蚀。

参考文献
１周广武，李光明．开发抗菌铁素体不锈钢可行性研究［Ｊ］．冶金丛刊，
２００４，１４９（１）：７￣１０２
Ｔ．Ｕｊｉｒｏ，Ｓ．Ｓａｔｏｈ，Ｒ．Ｗ．Ｓｔａｅｈｌｅ，Ｗ．Ｈ．Ｓｍｙｒｌ．ＥｆｆｅｃｔｏｆａｌｌｏｙｉｎｇＣｕｏｎｔｈｅｃｏｒｒｏｓｉｏｎｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｉｎｃｈｌｏｒｉｄｅｍｅｄｉａ．ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ［Ｊ］．２００１（４３）：２１８５￣２２００３约翰．塞德赖克斯．吴剑译．罗永赞，杨茵校．不锈钢的腐蚀［美］［Ｊ］．北京：机械工业出版社，１９８６．３５６
４
沈六一，沈其日方，杨斌．Ｃｕ和Ａｌ对铁素体不锈钢在氯化物介质中腐蚀行为的影响［Ｊ］．腐蚀与防护，１９９７，１８（５）：３（１９５）￣６（１９８）５徐增华．铁素体不锈钢（第四讲）．金属耐蚀材料［Ｊ］．腐蚀与防护，
２００１，２２（４）：１８４￣１８６
６
Ｍ．Ｋａｎｅｋｏ，Ｈ．Ｓ．Ｉｓａａｃｓ．Ｅｆｆｅｃｔｓｏｆｍｏｌｙｂｄｅｎｕｍｏｎｔｈｅｐｉｔｔｉｎｇｏｆｆｅｒｒｉｔｉｃａｎｄａｕｓｔｅｎｉｔｉｃ－ｓｔａｉｎｌｅｓｓｓｔｅｅｌｓｉｎｂｒｏｍｉｄｅａｎｄｃｈｌｏｒｉｄｅｓｏｌｕｔｉｏｎｓ［Ｊ］．
ＣｏｒｒｏｓｉｏｎＳｃｉｅｎｃｅ，２００２（４４）：１８２５￣１８３４
７王红旺，夏向东．查干诺尔天然碱苛化液对超纯铁素体不锈钢抗
腐蚀性能的研究（二）［Ｊ］．纯碱工业，１９９５（１）：８￣１５８
辛建卿译．铌在铁素体不锈钢和马氏体不锈钢中的应用．见：
Ｎ．Ｈｉｒａｍａｔｓｕ・科技与技术［Ｍ］．北京：冶金工业出版社，２００３（第一
版），６０３￣６１０
９
ＡｎｔｈｏｎｙＪ．ＤｅＡｒｄｏ．北美ＩＦ钢和铁素体不锈钢的最新进展［Ｃ］．铌
钢和铌合金中国－巴西学术研讨会论文集，２０００．１０９￣１２４
・１２・２００５年第４
期。