第五章不锈钢抗腐蚀性能

第五章不锈钢抗腐蚀性能

不锈钢的一般特性

●表面美观，可使用性能多样性；

●耐腐蚀性能好，可用于弱腐蚀及各种介质环境较强腐蚀；

●强度硬度广泛，使用各种性能要求；

●耐高温、低温性能好，使用温度适用范围大；

●加工性能好；

●可焊性好。

但从不锈钢定义可以看出，不锈钢与其他钢的区别就是不锈性，耐腐蚀性，所以我们研究一下它为什么不锈。

5.1 金属的腐蚀类型

金属的腐蚀，是金属与周围介质发生化学或电化学反应而发生破坏的现象。金属的抗腐蚀或耐腐蚀性是指金属抵抗腐蚀作用的能力。5.1.1化学腐蚀

化学腐蚀是指金属与周围介质直接发生化学反应而产生的腐蚀，例如钢在高温下氧化，就是一种典型的化学腐蚀，其产物沉积在金属表面上，也有人把这种腐蚀叫干腐蚀。

如果金属表面形成的腐蚀产物非常致密，则金属与腐蚀介质就会隔离，腐蚀就会阻滞，例如钢铁零件的蒸汽处理，法兰（黑）处理，就是使零件表面生成一层致密的Fe3O4薄膜，零件不再与周围介质发生接触，防止其化学反应的进行，零件便被保护起来了。

5.1.2 电化学腐蚀

电化学腐蚀是金属与周围介质接触，由于电化学作用而引起表面腐蚀的现象。例如钢在室温下的生锈主要是电化学腐蚀，在电化学腐蚀过程中有电流产生，电化学腐蚀是由于不同的金属之间或同种金属的各相之间存在不同的电极电位，且相互碰撞，并存在于同一种电解溶液中构成分数电池而引起的。如图5-1。

碳素钢在退火或正火状态下的组织是由铁素体和渗碳体组成的，并相互接触。渗碳体的电极电位一般比铁素体高，两相之间存在着电位差，当钢表面有水膜时，加上空气中O2等气体的溶解，在铁素体和渗碳体之间构成一微电池，电极电位低的铁素体称为阳极而被腐蚀引起钢的破坏。如果将钢件放在酸、碱、盐等水溶液中，电化学腐蚀作用更快。钢中的碳化物、夹杂物等，各部分组织和成分不均，内部应力不均，都促使各部分在电解质中促使相互间形成电极位差。这种电极位差愈大，微阳极与微阴极间的电流强度愈大，钢的腐蚀速度也愈大。

有人把电化学腐蚀称为湿

腐蚀，电化学腐蚀能否进行，

取决于金属能否被离子化，

金属离子化的趋势，可以用

金属的标准电极电位（εσ）

来说明。定性的说，金属标

准电极电位越负，则越容易图5-1 碳素钢在潮湿空

离子化。气中产生电化学腐蚀示意图

5.2 纯金属的耐腐蚀

纯金属有的耐腐蚀，有的不耐腐蚀，其耐腐蚀原因有以下三个方面原因。

5.2.1 由于热力学稳定耐腐蚀

各种纯金属的热力学稳定性的大小，可由其标准电极电位做出近似判断。标准电位较高（较正）者，热力学方面较稳定，标准电位较低（较负）者，热力学方面的稳定性也较低。

金属电位是在一定条件下测定的，根据标准电位分为4类，不稳定类有Fe,Cr,Mn,Ti,AL,V,Zn等，不够稳定类有Ni,Mo,Co,Sn,Pb等，较稳定类有Bi,Si,As,Cu等，稳定类有Pd,Pt,Au等。

金属热力学是每种金属的固有特性。

5.2.2 由钝化而耐腐蚀

热力学不稳定金属中，有不少在适当条件下也能发生钝化而转化为耐腐蚀，如锆、鈦、铬、镍、铁等。多数可能钝化的金属都是在氧化性介质中钝化，如在硝酸或在强烈通气溶液中等，而在Cl-,Br-,F- 等离子作用下，钝态容易遭到破坏。

5.2.3 由于生成保护性良好的腐蚀产物膜而耐腐蚀

热力学不稳定的金属中，除因钝化而耐腐蚀外，还有因在腐蚀初期或一定阶段成致密保护性能良好的腐蚀产物而耐腐蚀的，如铅在硫酸溶液中，铁在磷酸溶液中。

上面说的是纯金属耐腐蚀原理，从纯金属到合金含有合金化的问

题，加什么合金元素，如何通过合金化取得相应的成分或通过热处理取得适宜的组织，以及如何控制杂质和夹杂物，才能提高合金的耐腐蚀性，这就是我们要研究和解决的问题。

5.3 提高合金耐腐蚀用途

5.3.1 腐蚀过程影响因素

影响腐蚀的因素可以通过下式表达：

I =k2E c o—E A o

P C + P A+R

I---腐蚀电流，与腐蚀率成正比

E c o—E A o ---腐蚀体的阴阳极反应时的平衡电位差

P C 、P A ---分别是腐蚀过程的阴阳极极化率

R---腐蚀体系电阻

k—常数

5.3.2 式中E c o—E A o 是腐蚀推动力，代表腐蚀体的热力学稳定性。在P C 、P A 、R不变的条件下，E c o—E A o 越小，则腐蚀电流越小，腐蚀率越低。E c o是阴极平衡电位，E A o是阳极平衡电位，假如在一定介质中E c o不变，如果可提高E A o则可减少腐蚀电流，这是热力学稳定方面考虑，譬如在铜中加入金，镍中加入铜，铬中加入镍。都可以提高阳极平衡电位E A o这是因为加入的合金的高电极电位滞接结了合金。

5.3.3 在动力学方面最好是根据腐蚀过程的控制因素寻求相应的合

金化途径。譬如：减少阴极面，如减少作为阴极的第二相，或夹杂物；减弱阳极活动，或加易钝化元素，譬如在铁中加12-30%鉻，可使合金表面生成电阻极大的腐蚀产物。钢在大气中腐蚀产物如果是非晶状态氢基氧化铁FeOx(OH)3-2X,则由于致密而具有保护性，钢中加Cn,P 则促使这种保护膜的形成，如10MnPNbRe牌号刚,就是根据这个原理研制成的耐大气腐蚀钢，日本SPA-H,SPA-C都是这类钢。下面重点讨论的是最有效并且是切实可行的铁中加铬对对电极电位和钝化作用的影响。

5.4 不锈钢耐腐蚀机理

5.4.1 铬使铁基固溶体的电极电位提高

每种金属都有自己的标准电极电位，这种标准电极电位是比较方法测得的。铁的电极电位较低，为0.439，实践证明把铬加入铁基固溶体后，可使其电极电位提高，当达到一定浓度时这种提高发生突变，即当铬含量达到1/8,2/8,3/8……原子比时，铁基固溶体的电极电位呈跳跃式提高，腐蚀也因此减弱，如图2-2。

当铁—铬固溶体中含铬量达到1/8（即12.5%）原子这个n/8定律的第一个突变值时，即可使其电位有-0.56跃升到+0.2伏，这时就能抵抗大气、水蒸气及稀硝酸的腐蚀。如果需抵抗更高浓度酸（如沸腾浓硝酸）的腐蚀，就要增加含铬量，使达到n/8定律的第二个突变值---25%原子浓度或更多。

5.4.2 极化作用

当电流通过原来电池开始流动的瞬间，在电极上产生化学变化，