各个合金元素对钢材腐蚀性能的影响-总结精华

各元素对钢材腐蚀性能的影响

1、大气腐蚀

耐候钢较普碳钢有良好的抗大气腐蚀能力，其中合金元素起到了决定性作用。包括：1)降低锈层的导电性能，自身沉淀并覆盖钢表面：2)影响锈层中物相结构和种类，阻碍锈层的生长；3)推迟锈的结晶；4)加速钢均匀溶解；5)加速Fe2+向Fe3+的转化，并能阻碍腐蚀产物的快速生长；6)合金元素及其化合物阻塞裂纹和缺陷。进一步研究结果表明，耐候钢中加人的合金元素对其耐大气腐蚀性能的影响不尽相同。

1.1影响大气腐蚀的环境因素

钢在大气中的腐蚀率，除了与钢本身的化学成分、热处理状态有关外，还受大气环境因素影响。

大气腐蚀的典型环境有三种类型，即乡村大气、工业大气与海洋大气。

乡村大气对钢的腐蚀轻微，这是由于污染程度较轻。影响乡村大气腐蚀的主要因素是降雨量、年平均气温和相对湿度。钢在大气中的腐蚀是由于在钢表面形成有利于电化学反应的湿膜，致使腐蚀得以进行。当大气中的湿度超过60%～70%时，钢的腐蚀速度将显著增加。

钢在工业大气中的腐蚀速率差异很大，主要是大气中污染成分和含量不同所致。主要的污染成分有SO2、H2S、NH3、CO2、NO2、NO及HCl等。另外大气中还含有水分，加剧了钢的腐蚀。

钢在海洋大气的腐蚀比前两种环境更严重。主要是因为海洋大气中含有大量的氯化物微粒(如NaCl、MgCl2等)，这种微粒随着海雾飘落在钢的表面，形成一层电解质的湿膜。钢在海洋大气中的腐蚀程度，受距离海平面的高度和海岸线的远近、风速、风向、气温、雨量、降雨周期、大阳辐射、季节、尘埃及鸟粪污染等因素的影响。

1.2影响大气腐蚀的元素

1.2.1 铜

早期发现含铜0.05%～0.20%的钢对耐大气腐蚀性能有所改善，从而开发了以铜为主要合金元素的耐大气腐蚀用钢。钢中含0.2%～0.5%Cu，无论在乡村大气、工业大气或海洋大气中，都具有较普通碳钢优越的耐蚀性能。一般含铜钢在海洋大气和工业大气中比乡村大气环境的耐蚀效果更佳。为了提高钢的耐大气腐蚀性能、良好的力学性能和焊接性能，往往还需加入多种合金元素。

关于铜对改善钢的耐大气腐蚀性能作用机理，说法不一：一种认为，钢与表面二次析出的铜之间的阴极接触，能促使钢阳极钝化，并形成保护性较好的锈层；

另一种认为，铜在基体与锈层之间形成以CuO为主要成分的阻挡层，它与基体结合牢固，因而具有较好的保护作用；这些解释都是基于Cu在钢的表面及锈层中的富集现象，因此这些作用很可能同时存在。

1.2.2 磷

磷是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的合金元素之一，这可能是它促使锈层具有非晶态的缘故。当磷与Cu联合加入钢时，显示出更好的复合效应。美国在此基础上，再加入Cr、Ni等元素，研制成著名的耐大气腐蚀低合金钢——Corten 钢。

P是提高钢耐大气腐蚀性能最有效的合金元素之一，一般P含量在0.08%一0.15%时耐蚀性最佳.当P与Cu联合加入钢中时，显示出更好的复合效应.在大气腐蚀条件下，钢中的P是阳极去极化剂，它在钢中能加速钢的均匀溶解和Fey+的氧化速率，有助于在钢表面形成均匀的FeOOH锈层，促进生成非晶态经基氧化铁FeOx(OH)3-2x致密保护膜，从而增大了电阻，成为腐蚀介质进入钢基的保护屏障，使钢内部免遭大气腐蚀.当磷形成PO43-时还起到缓蚀作用。

P对实验钢腐蚀锈层形成的影响，磷酸盐在成膜中的作用如下：

P的表面能很低，在钢中易偏聚在晶界和表面上，富集在基体表面的P原子在干湿交替的环境中，与H2O，O2分子发生作用，在基体附近的液膜中生成H3PO4，H3PO4与基体表面的Fe原子发生反应，形成

2H3PO4+Fe→Fe( H2PO4)2+H2(1)

生成的Fe( H2PO4)2并不稳定，易发生分解反应：

3Fe( H2PO4)2→Fe3(PO4)2+4H3PO4(2)

Fe( H2PO4)2→FeHPO4+4H3PO4(3)

生成不溶性的Fe3(PO4)2和FeHPO4盐。这两种磷酸盐在自然界中都是以非晶态形式存在。在干湿交替的环境下，生成的Fe3(PO4)2再与H3PO4和空气中的O2发生反应，Fe2+被氧化成Fe3+，其反应式为

2Fe3(PO4)2+8H3PO4+(3/2)O2+21H2O→6(FePO4·H3PO4·H2O) (4) 最后生成的FePO4·H3PO4·H2O在自然界中以晶体形式存在，分子之间结合得比较紧凑，空洞和裂纹很少，并且这种磷酸盐能够作为腐蚀产物均匀地覆盖在钢基体表面，O2和H2O分子不易穿透它而与基体Fe发生进一步的腐蚀，也就减少了基体上的腐蚀活性点，有效降低了阳极面积，在稳定锈层形成之前阻止了基体铁的继续腐蚀，降低了腐蚀反应速率。

P能明显提高材料的耐大气腐蚀性能，并且随腐蚀时间的延长，P的作用有减小的趋势。

P提高耐大气腐蚀性能的原因是：偏聚在材料表面上的磷原子在水和氧的作

用下水解，生成一种致密性较高磷酸盐，并且能均匀覆盖在基体表面的空洞和裂纹处，阻碍了水和氧的通过，使基体进一步的腐蚀减弱：H2PO4能够加速锈层中Fe2+向Fe3+的转化、促进腐蚀初期反应的快速进行、阻止铁锈粒子长大，使腐蚀生成物颗粒细小、结构致密，促进了致密、稳定、均匀的保护膜形成。

1.2.3 碳

碳对钢的耐大气腐蚀不利，同时C影响钠的焊接性能、冷脆性能和冲压性能等，耐候钢中C含量被控制在0.12%以下。

碳的存在会使钢材的内部形成化学电池，从而产生电化学腐蚀，这是对于钢材的耐蚀方面的很不利的影响。同时它的存在也会造成钢材的晶间局部缺Cr，钢的抗敏化态晶间腐蚀性能恶化，增加点蚀倾向。

1.2.4 铬

铬能在钢表面形成致密的氧化膜，提高钢的钝化能力。耐候钢中Cr含量一般为0.4-1%（最高1.3%），当Cr与Cu同时加入钢中时，效果尤为明显. 这可能是由于铜在低合金钢的大气腐蚀过程中起着活性阴极作用，促进了钢的钝化。最近Masato Yamashita等人研究指出Cr含量提高利于细化。α-FeOOH，当锈层/金属界面的。α-FeOOH中Cr含量超过5%时。能有效抑制腐蚀性阴离子，特别是Cl-离子的侵入；同时T. Kamimura等人认为添加Cr元素还可以阻止干湿交替过程中，干燥时Fe3+→Fe2+的还原反应，从而提高钢的耐候性.但在Cl-离子含量较高的地区，添加Cr元素被认为是有害的。

Cr≥12%时，有好的耐蚀性，再加8～9%的Ni，耐蚀性更会大大提高。Cr 提高耐蚀能力的作用随含碳量增加而会有所降低，因为Cr与C结合后不起作用。

Cr≥25～30%时,有好抗氧化性。如Cr=27～28%即可作1300℃的热电偶温度计的防护罩，当Cr与Si、Al结合时，甚至Cr相当少而抗氧化性也很高。如Cr 6～10%+Si 2～3%就有高的耐热性和抗氧性。

含Cr5～6%及含Cr6～10%且含Si2～3%的矽铬钢，尽管强度不是很高，但亦具有足够的耐热性和抗氧化性而用于气阀中及石油、化学工业（氨合成设备等）。

含Cr=12～14%的钢是最典型的不锈钢（1Cr13～4Cr13）它们都有较高的抗蚀力，强度也不错，面CCr12、Cr12MMo等则是典型的具有高淬透性和高耐磨性的模具钢。（此类多属马氏体钢）。

含Cr=16～18%的钢有的只具单相（铁素体），有的双相（M体—铁素体），