工业锆及锆合金腐蚀性能研究

Internal Combustion Engine & Parts• 117 •
工业锆及锆合金腐蚀性能研究
刘鹏;菅凤侠;吴青山
(西安工业大学北方信息工程学院，西安710200)
摘要：锆及锆合金具有优越的耐腐蚀性能，作为包壳及存储材料，应用于石油或化工行业，同时在核工业领域也有着较为广泛的 应用。

本实验讨论温度发生变化时通过腐蚀极化曲线反应Zr-3合金的耐蚀性能。

得到600益时Zr-3合金的腐蚀电位-390mV，腐蚀电
流密度-4.0mA/cm2,具有较为优越的耐腐蚀性。

关键词：Zr-3合金;腐蚀;极化曲线；性能研究
1锆合金的发展
锆在高温条件下在水和蒸汽中都有很强的抗腐蚀性能，特别在核反应堆重具有相当好的抗中子辐照性能，且 有适合的力学性能和良好的加工性能。

锆及锆合金是核动力反应堆的燃料包壳材料及其结构材料等。

锆及锆合金的研究与发展与核工业的发展是密切关联的，随着后续大力发展原子能发电站得到推广应用。

锆和钛两者在海水中使用时都很好，但是耐蚀性方面有些差别。

在非酸性氯化物中，如海水或氯化物溶液，锆和钛均具有耐蚀性，但锆比钛更耐细缝隙腐蚀，因为随着时间延长缝隙环境往往会转变为还原性的，对于钛及钛合金来讲，随着还原性增强腐蚀性能下降。

在有机酸中，锆比钛更可靠的多，在高温和整个浓度范围内锆都是耐蚀的，而 钛会随着环境的变化受到影响。

但是锆在200益以下时，对干氯具有耐蚀性，湿氯就会产生局部腐蚀，且相当敏感。

应力腐蚀开裂是材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下引起的脆性断裂现象，由于应力腐蚀破坏前没有明显的塑性变形，故常造成灾难性的事故，从应力看，造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力。

从环境介质看，每一种金属或合金，只有在特定的介质中才会发生应力腐蚀，如低碳钢在NaOH，硝酸盐、碳酸盐、液体氨、H2S等溶液；奥氏体不锈钢在氯化物溶液；铜合金在在氨，铵离子溶液；铝合金在海水，N aC l等 溶液中才会发生应力腐蚀破坏。

由于高温、高压及辐射因素的影响，在材料服役期间必将会发生应力腐蚀断裂现象。

而对于工业上来讲，其工作环境大多是纯腐蚀性的，尤 其是石化或工业行业中，往往还存在持续高温及冲击环境等。

因此每年也会有大约10%的锆及锆合金被应用于石化等方面。

因为锆对很多腐蚀介质有着很强的抵抗力，且其耐蚀性能是明显优于钛而接近于钽。

锆及锆合金以其优越的性能受到各国学者越来越多的关注，虽然目前锆合金的价格稍高，但其优良的耐腐蚀性却战胜了其价格上的相对劣势[2]。

本试验通过对锆或锆合金热处理后，研究其不同温度条件时腐蚀性能的变化。

2极化曲线分析
为了探索如何腐蚀性能的变化，必须对电极进行研究，极化曲线的测定是其中重要方法之一。

在研究可逆电池的电动势和电池反应时，电极上几乎是没有电流通过的，所以每个电极反应都是在接近于平衡状态下进行的，故电极反应是可逆的。

但当有电流明显地通过电池时，电极的平衡状态被破坏，电极电势偏离平衡值，电极反应处 于不可逆状态，而且随着电极上电流密度的增加，电极反 应的不可逆程度也随之增大。

由于电流通过电极而导致电 极电势偏离平衡值的现象称之为电极的极化，描述电流密 度与电极电势之间关系的曲线称作极化曲线。

锆是一种活泼金属，但其可形成表面致密的氧化膜，因此从其属于钝化材料这方面来讲，钝化区若遭到破坏会
使得锆及锆合金的腐蚀性能迅速下降。

根据试验可得不同 退火温度段试样的极化曲线图，而在不同温度下的极化曲 线腐蚀电位和电流密度都有不同程度的变化，因而得到 700益的极化曲线具有较低的电流密度，但是其腐蚀电位 又太低，当550益时极化曲线腐蚀电位很高，电流密度也 较低，由此可得出600益时极化曲线具有较高的腐蚀电 位-390mV和较低的电流密度-4.0mA/cm2，根据极化曲线 中腐蚀性能的判断标准，该温度下的腐蚀性优良。

2.1不同保温时间下锆及高合金极化曲线分析
温度的确定使锆合金在退火过程中的影响因素减少 了很多，这是只需要考虑时间变化对腐蚀性能的影响，根 据不同种类检测方法的分析，在所选的时间范围内约3h 的腐蚀性能较为优越。

根据Zr-Sn-N b系合金在480益及 580益时腐蚀行为的影响，可发现在480益试样的增重会减 少，580益时试样的增重相对增加了，但是腐蚀性却没有多 大变化。

究其原因，主要是原因是因在时效过程中N b的固溶度随着温度的变化而变化，所以在时效中，N b的沉积 相不一导致了腐蚀性能的变化。

本实验中锆合金中存在的第二相粒子的变化对腐蚀 会产生很大的影响[3]，得知该条件下的腐蚀电位约为- 380mV，腐蚀电流约为-3.0 mA/cm2,根据极化曲线的标准 腐蚀电位增大了，但同时腐蚀电流也增加了。

该条件下的 极化曲线虽然电流密度变大了但腐蚀电位也变大，综合认 为在600益时保温3h的试样腐蚀性能较为优越。

图1是不 同温度下的极化曲线，综合三条曲线来看，600益时试样的 耐腐蚀性较为优越。

2.2冷却方式不同对锆及锆合金极化曲线的影响
在600益、保温3h随炉冷却曲线中的腐蚀电位为：390mV，而电流密度为：-3.8mA/cm2，与以上的分析对比得 出，腐蚀电位从-380m V减小到-390mV，稍有减少约占 2.6%，电流密度也从降低了，从-4.10 mA/cm2增加到了
• 118 •内燃机与配件
降低汽车发动机排放的技术浅析
张华
(安徽江淮汽车集团股份有限公司，合肥230001 )
摘要：众所周知，汽车发动机排放对地球自然环境百害而无一利，甚至已经通过各种途径威胁到了人类的身体健康。

然而，近年 来，社会飞速发展，人们的生产活动和日常生活中对汽车的需求也越来越大，汽车尾气的排放量也是与日俱增。

汽车发动机排放问题 已经发展成为目前急需解决的重大问题，需要引起国家和社会的重视。

为了帮助解决这一问题，降低汽车发动机的排放，本人在本文 中对汽车尾气排放而产生的对自然环境和人类身体健康的影响进行了简要阐述，同时提出了一些可以减少汽车发动机排放的技术，希望能给汽车发动机节能减排技术的相关研发提供参考和借鉴。

关键词：汽车；发动机;排放污染;技术
0引言
由于社会的不断发展，人们的生活已经越来越趋向于
工业化和科技化，在出行方面，汽车凭着它的方便、快捷从
激烈的市场竞争中脱颖而出，广泛应用于社会生产和曰常
生活。

然而，汽车的应用是一把双刃剑，虽然它能方便人们
的生活，但相对于步行、自行车等方式而言，它是一种“非
环境友好型”交通工具，不仅污染了自然环境，而且极大的
影响了人们的身体健康。

通过专业的分析和研究，我们发
现，漂浮在空气中的主要空气污染物都来源于汽车尾气，
其比例高达50%以上。

因此，汽车在使用过程中产生的尾
气不仅在一步步破坏着人类赖以生存的家园，而且也在一
点点吞噬着人们健康的身体。

为了挽救这一切，必须特别
关注汽车发动机排放问题，将降低汽车发动机排放的技术
研发和实行工作放在首位。

作者简介：张华（1984-)女，毕业于哈尔滨工业大学，本科，工学 学士，助理工程师，研究方向为车用发动机研发、市场
营销以及售后技术支持。

-3.8mA/cm2,另外两种冷却方式如下，腐蚀电位均减小，空 冷和淬火态的腐蚀电位分别为-520m V和-480mV，明显的降低了很多，分别降低了 26.3%和36.8%，该条件的锆合金
腐蚀性能下降，另一方面从电流密度的角度去考虑，降低
了约9.5%，综合以上两个因素来看，锆合金在空冷和淬火
状态下的耐腐蚀性能均下降，虽然下降程度有所不同。

所
以根据极化曲线的判断标准，该条件下的腐蚀电位稍有减
少对耐腐蚀性有一定的影响，综合来看，该条件下的Zr-3 合金耐腐蚀性较强。

1汽车发动机排放的危害
早在几十年前，我国社会已经注意到了汽车发动机的
排放问题，也应用了相关技术来降低汽车发动机的排放。

比
如说，在研发和设计汽车时，相关人员会关注汽车是否节约
能源、减少污染的问题，并积极寻找新的环境保护型能源来
代替旧能源。

诸如电动汽车、混合动力车和电池车等新型汽
车逐渐上市，走入市场。

然而，目前的控制技术仍然不够成
熟，对汽车发动机的排放的降低程度还远远不够，达不到保
证环境和人类身体健康的需求。

虽然新型汽车也被人们所
使用，但其使用率仍远低于燃油汽车。

因此，目前相关工作
人员仍需重点进行汽车发动机减排的研究，通过改进汽车
发动机的性能和尾气净化性能来降低发动机排放。

燃油汽车，顾名思义，就是将燃油当作主要的动力能
源。

如果燃油能够得到充分燃烧，那么就只会产生少量有
害气体，减轻了汽车尾气排放的有害程度；但如果燃油燃
烧不够充分，它进入发动机气缸后遇到空气，就会产生混
合燃烧反应，从而产生二氧化硫、一氧化碳、含氮化合物等
3结论
本实验研究表明每个因素对Zr-3合金板材的组织和
性能有着显著的影响，结论如下：Zr-3合金在600益下腐
蚀电位平均为-390mV，电流密度为-4.0mA/cm2，综合性能
优良。

一直以来国内锆及锆合金的主要研究都是集中在核
级锆上，所以作者认为对于工业级锆合金的研究领域应该
继续加大，还需要考虑的主要因素有以下几个方面:Zr-3
合金板不同条件的轧制变形规律对腐蚀性能的影响因素；
添加的合金元素对锆及锆合金板材腐蚀性能的主要影响；
第二相粒子的不同对锆及锆合金板材力学性能和腐蚀性
能的影响机制。

参考文献：
[1] 熊炳昆.金属锆在石化工业中的应用J1.稀有金属快报，2005,24(8)45-47.
[2] 严青松，刘文庆，雷鸣，等.热处理制度对Zr-Sn-Nb新锆合 金耐腐蚀性能的影响[J1.稀有金属材料与工程,2007,36(1): 104­
107.
[3]Sun Chao,Tan Jun,Ying Shihao etal.Effect of Temperature on Cyclic Defor^nation Behavior of Zr-Sn-Nb Alloy[J].Rare Metal Material and Engineering,2008,37( 4 )：
584-588.。