第5章 碳钢与低合金钢的腐蚀性能

常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性
1、碳:
在酸性溶液中含碳量增加，腐蚀率增大；但在氧化性酸中, 含 碳量增加到一定程度，腐蚀率下降；在大气、淡水、海水等中性溶 液中，碳的影响不大。
原因：在非氧化性酸中，钢中含碳量的增加使渗碳体量增多， 使渗碳体与基体形成的微电池增多，腐蚀加剧。在其它条件相同时， 含碳量﹥0.6%时，腐蚀程度明显增大（珠光体量增加）。
有海洋生物的寄生覆盖，腐蚀较轻。
由于覆盖不完全可能起表面腐蚀程度的显著差异。
常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 (4)全浸区，又分3种情况：
①浅水区：腐蚀较海洋大气和潮差区严重。（原因：含氧比深水区 充足，同时受海洋生物，工业、生活垃圾的污染，温度较中部和深 水区高）
②大陆架区：腐蚀程度随海水深度的增加而降低。（原因：污染少， 含氧低，温度，流速低）。
作用：Cr对改善钢的钝化能力具有显著的效果，当与铜同时加 入时，效果尤为明显。
（4）Ni:
作用：提高钢的化学稳定性。但在加入较少的情况下作用不 明显（>3.5%时才较为有效）。要与其它合金元素配合使用,以改善 锈层的结构。
常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 (5)Mo:
作用:改善了锈层的性质.(如在酸性气氛下,锈层中形成的氧化钼 具有很高的稳定性.此外，Mo还能促使生成非晶态的氧化膜。)
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5.1概述
5.1.1钢的分类:
1、 按化学成份分：
⑴工业纯铁 含碳小于0.04%
低碳钢含碳<0.25% ⑵碳素钢 中碳钢 0.25～0.6% 高碳钢 >0.6%
低、中碳钢主要用于结构钢
高碳钢主要用于工具钢
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低合金钢 <5%(合金元素总含量)
S〈0.030%， P〈0.035%
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3、 按用途分：
结构钢 工具钢 不锈钢 弹簧钢
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耐热钢
高锰钢
锅炉用钢
造船用钢
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5.1.2低合金钢的发展和种类
1、发展
低合金钢在19世纪70年代在工业上开始应用,但发展缓慢,直到 上世纪50年代后期，由于科学技术及工业进步,对低合金钢的需要 量不断增加,才促使它迅速发展起来,成为钢铁材料的一大支柱。
温度浓度与第二阶段相同，区别是环境中含有大量未燃烧的碳微粒.
特点:产生大量Fe3+(氧化剂),参与阴极反应，使铜钢产生钝化，腐 蚀速度明显降低，但对非钝化钢会使腐蚀速度增加。
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3.耐硫酸露点腐蚀钢
此种钢中重要的合金元素仍然是Cu，Cr等，W(<0.2%)， Sn(<1%)也有良好作用。 典型钢种:09Cu，09CuWSn。
③深海区：腐蚀进一步减轻。
常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 (5）泥浆区： 腐蚀比在海水中轻。 原因：氧不充分，阴极极化易实现。
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2、常用耐海水腐蚀低合金钢种。
我国经过近30年的研究筛选，目前以评定筛选出16个钢种。
从这些钢种看，主要合金元素有：Cr，Al，Si，P，Cu，Mn， Mo，Nb，V等，前几种元素较为重要，尤以Cr的作用以公认为最 为显著。
5.3.1耐大气腐蚀的低合金钢
1、大气腐蚀环境及其影响因素：
（1）乡村大气
造成腐蚀的主要原因是:形成有利于电化学腐蚀的湿膜。
常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 （2）工业大气（存在一定工业污染的大气）： 影响腐蚀的主要因素：污染成分和含量（主要有SO2，H2S。 CO2，NO2，NO及HCl等）以及水分。
造成腐蚀的主要原因是形成酸性电解质。钢在工业大气中的腐 蚀速度要比在乡村大气高1-2倍。
常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 （3）海洋大气：
钢在海洋大气中的腐蚀比前两种情况严重得多
造成腐蚀的主要原因：海洋大气中含有大量的氯化物微粒 （NaCl，MgCl2等），这种微粒落在钢的表面，形成电解质的湿膜。
1、露点腐蚀的产生
在采用高硫重油或煤作燃料的锅炉燃气中,常含有SO2或SO3,在 锅炉的低温部位(空气预热器,烟道等),由于SO3与水气作用而凝结 成H2SO4,引起这些部位腐蚀,称为硫酸露点腐蚀。
常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 影响因素:SO3含量，露点及金属表面温度。
SO3含量主要取决与燃料中的含硫量及空气过剩系数；
2、在液体中：
绝大多数酸、碱、盐的水溶液对碳钢均有很强的腐蚀性。
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5.3 耐蚀低合金钢
耐蚀低合金钢是在碳钢基础上添加少量多元合金元素而形成的。
合金元素的添加主要为改善钢在不同腐蚀环境中的耐蚀性，但 同时也会对钢的力学性能和工艺带来较大的影响。
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常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 （２）氢裂纹和氢开裂。 脱碳过程中形成的CH4不能扩散到金属表面，就在金属内的孔 洞或晶界处积累，形成局部压力甚高而导致产生显微裂纹，使钢的 机械强度、塑性和韧性降低，这叫氢裂纹。小的裂纹，合并成大的 宏观裂缝叫氢开裂。 （３）氢鼓泡。
高温氢腐蚀偶尔可呈现鼓泡形式而使金属破坏。高温氢鼓泡和 低温氢鼓泡的机理不同。引起低温氢鼓泡的氢不直接来自工艺，而 是由表面上由于电化学反应而释放出来。其次，高温的气体是甲烷， 低温气体是氢气。
(6)Si:
作用:提高综合效果.(Si在低合金钢中加入是不应过多,因此自身作用 不甚明显,但在提高综合效果上是有效元素之一。)
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3、我国常用耐大气腐蚀低合金钢种
我国以含Cu系列为主，如:16MnCu,10MnSiCu等。
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5.3.2耐硫酸露点腐蚀低合金钢
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2、钢中添加合金元素作用：
强碳化物形成元素：Cr ，Mo， W ，V， Nb ，Ti 提高抗氢侵 蚀性能。 Ti Nb V等元素除生成稳定的碳化物及氮化物外，表面生成 的氮化物可延缓进一步氮化，提高钢抗氮化脆化的性能。 Si C Ti Nb能降低氢在钢中的扩散速度。 C Si M W Cr能减少氢在钢中的溶解度。
露点随燃气中SO3的增加而升高(SO3含量超过60*10-6M时,可使露点 升高达到150℃～170℃)。
凝结的H2SO4浓度主要取决于燃气中水分含量和金属表面温度。
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2、硫酸露点腐蚀的机理。
随着锅炉的运行分为三个阶段：
第一阶段：
低温 低浓度
T 80 C
0
硫酸活化腐蚀阶段 指锅炉开始运行或刚刚停止运 行时的腐蚀条件及状态
2、球状珠光体比片状珠光体耐蚀性好。
原因：阴极效率低。
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5.2.4碳钢在普通环境中的腐蚀倾向：
1、在气氛中：
在一般干燥空气或气氛中比在潮湿空气中的腐蚀性小，大陆 气候比海洋大气腐蚀小。 注：碳钢在大气中的腐蚀也会因成分、湿度、温度、气流和 光照的不同而不同，大多情况下为0.2～0.5mm/年。
原因：夹杂物破坏了钢的连续性和均匀性，增加钢的微电池对。
主要夹杂物：FeS，（MnFe）S，MnS
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5.2.3钢的组织对腐蚀的影响：
1、渗碳体量增加，（碳高，珠光体量多），对非钝化体系的碳钢 来说，腐蚀速度增加。
原因：碳化物作为阴极性夹杂，对非钝化体系的钢而言，阴极效率 增大，腐蚀速度增加。
常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 （2）P： 作用：一般认为P在提高钢的抗大气腐蚀性能方面具有特殊 效果，即可能是由于P在促使锈层具有非晶态性质方面具备独特 的效应。
注：P往往与Cu同时加入，会显示出更好的复合效应。
P对力学性能也许会造成一定危害。
常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 （3）Cr：
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2、合金元素对钢的耐大气腐ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ性能的影响
（1）Cu： 提高耐蚀的机理有几种解释：
①钢与表面二次析出的铜之间的阴极接触，能够使钢的阳极钝化。 ②铜在基体与锈层之间形成以CuO为主要成分的阻挡层，这种阻挡 层与基体结合牢固，具有较好的保护作用； ③铜与磷等合金元素改变了锈层的吸湿性，从而提高了临界湿度， 有利于提高耐蚀性。
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2、种类
①高强度钢： 屈服强度范围300～700MPa
②低温用钢：-40～105℃用于制氧及乙烯装置。
③耐蚀用钢:耐海水用钢，耐大气腐蚀，抗氨、氮用钢等。
常 用 金 属 材 料 的 耐 蚀 性 ④钢筋用钢:（钢筋腐蚀是目前的一个研究热点）与碳素钢相比， 可节约材料40～60%。
在氧化性酸中，作为阴极相的渗碳体愈多，愈能促进钢的钝化。
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2、Si：
在碳钢的规格范围内对腐蚀没有什么影响。含硅量只有在很高 时才具有耐酸性和抗高温氧化性，但这已经不属于碳钢和低合金钢 的范畴。 （Si的存在形式：形成固溶体）
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（形成化合物，共晶体）
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5、P：
对腐蚀的影响因环境而异。 在酸性溶液中与硫一样是有害的（磷化物存在）； 改善在大气、海水中的耐蚀性。
注：磷严重降低钢的韧性，因此，一般不会用提高磷来提高耐蚀性
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5.2.2夹杂物对腐蚀的影响：
各类夹杂物都将严重恶化钢的耐蚀性。