第5章材料的耐蚀性

A．奥氏体不锈钢－奥氏体不锈钢是在18-8型CrNi钢 的基础上发展起来的， Cr量18％以上，镍含量8％以 上。由于这类钢耐蚀性优良、塑性高、加工性能好， 而且易焊接，因此在不锈钢中，它的产量最大、品种 最多、应用最为广泛。为了提高耐蚀性，18-8型钢中 常加入Ti、Nb、Cu、Mo和Si则可改善其耐硫酸腐蚀 性能，Nb和Ti还提高抗晶间腐蚀能力。
• 6.4．淡水：铝及铝合金、钛及钛合金、高硅 铸铁、不锈钢、铜及铜合金、铅及铅合金、 镍等。 • 6.5．硫酸：高硅铸铁、低浓度用铅、高浓度 用Fe-C合金。 • 6.6．硝酸：钛及钛合金、高硅铸铁、低浓度 用不锈钢、高浓度用铝。
6.7．盐酸：高硅铸铁、加钼高硅铁、哈氏 合金。 6.8．磷酸：18-8Mo不锈钢、铅及铅合金、 高硅铸铁、铜及铜合金。 6.9．醋酸：高硅铸铁、18-8Mo不锈钢、铜 及青铜、铝。 6.10．氢氧化钠：镍及镍合金、高镍铸铁、 18-8不锈钢、铜及铜合金、钛及钛合金。 6.11．氟水：Fe-C合金、高硅铸铁、不锈钢、 铝及铝合金、钛及钛合金。
6.12．NaCl：高硅铸铁、18-8不锈钢、钛及钛 合金、镍及镍合金。 6.13．硫化氢：钛合金、高硅铸铁、18－8－ Mo不锈钢、铝及铝合金。 6.14．氯气（湿）：钛及其合金、高硅铁、哈 氏合金。
7.非金属耐蚀材料
• 7.1热塑性塑料 • A.聚氯乙烯 • 能耐大部分酸、碱、盐和强极性、非极 性溶剂的腐蚀。但对发烟硫酸、浓硝酸 等强氧化性酸，芳香胺、氯代碳氢化合 物及酮类不耐蚀。耐热耐光性能差，使 用温度一般低于50℃。
第5章 材料的耐蚀性
1.纯金属的耐蚀性
虽然工程中使用的金属绝大多数是 合金，纯金属较少。 但出于耐蚀的目的， 纯金属的用途也在不断地增多，同时， 各种合金也是以纯金属为组元形成的， 因此，有必要全面了解纯金属的耐蚀性。
• 各种金属在电解质中的热力学不稳定性 （稳定性），反映着金属发生电化学腐 蚀的可能性大小，可根据标准电极电位 来近似的判断。标准电极电位越负，则 热力学上越不稳定；而标准电极电位越 正，则热力学上越稳定。
. 5.6.镍及其合金 A．镍
Ni及Ni合金具有优良的耐蚀性，同时强度高、塑性大、 易于冷热加工，因此是很好的耐蚀材料。但是，由于 资源少，成本高，它的应用受到了很大限制。 作为结构材料，纯Ni在工程中的使用是很有限的，但 作为镀层材料的应用却极为广泛。Ni的主要用途是作 为不锈钢、耐蚀合金和高温合金的添加元素或基体材 料。 镍在中性和碱性介质中能形成钝化膜，耐蚀性较好， 也耐大气和碱类溶液的腐蚀.不耐硝酸腐蚀。不耐硫化 物腐蚀。
5.耐蚀金属材料
• 5.1碳钢和铸铁 A．碳钢和普通铸铁耐腐蚀性差. • 铁形成两价铁离子的标准平衡电位（Fe→Fe2+） 为-0.440V，而形成Fe→Fe3+的标准平衡电位为 -0.036V，二者相比，后者比前者的平衡电位值 要正得多，故处于钝态下的铁或钢会缓慢溶解。 应当指出，铁的平衡电位较难测准，上述的电 位数值是根据热力学数据计算得到的。在大多 数情况下，实测的铁的电极电位不是平衡电位， 而是稳定电位。
式中I为腐蚀电流，与腐蚀速度成正比； 0 0 Ec Ea 为腐蚀体系阴、阳极反应的平 衡电位之差. Pa 和 Pc 分别为阴、阳极反 应的极化率；R为腐蚀体系的电阻。耐蚀 合金化正是通过对腐蚀过程的热力学和 动力学参数的控制来实现的。
图5一1表明耐蚀合金化途径的极化图 (a)提高阳极金属的平衡电位:(b）增加阴极极化率；（c)增加阳极极化率: (d)加入易钝化元素使之钝化:(e)加入强阴极性元素促进阳极饨化:(f)增大腐蚀体系电阻
3.3.降低合金中阴极相的活性 适应阴极控制腐蚀，不易钝化的金属。 A．加入析氢过电位高的合金元素，增加阴极 析氢的过电位。 B．减少合金阴极面积，提高阴极极化。 3.4．使合金表面生成致密的非晶态保护膜 ， 如在钢中加入Cu、P等合金元素。
4.合金组织状态与耐蚀性关系 4.1．单相组织比多相组织耐蚀性强（因为不组 成原电池） 4.2．当复相组织阴极相能促使阳极相钝化时， 复相组织耐腐蚀性也较好。 4.3．当复相组织中阳极相很少，在介质中经短 时间腐蚀，表面的阳极相被腐蚀掉，剩下电位 高的阴极相，这时也是耐腐蚀的 4.4．粗大晶粒，晶界杂质多，晶间腐蚀倾向大。 4.5．在不能钝化的体系中，阴极相越小越分散， 微电池数量多，越不耐腐蚀。
5.5 钛及其合金
Ti是热力学上很活泼的金属，其平衡电位 为-1.63 V，接近A1的平衡电位。但是，在许多 介质中，Ti极耐蚀，原因是Ti具有强烈的钝化 能力，并使之稳定电位远远地偏向正值。例如 在25℃的海水中约等于+0.09V，比在同一介质 中的Cu及Cu合金的电位都正。Ti的钝化膜具有 非常好的愈合性，破损后能很快地弥合修复形 成新膜。Ti不仅可在含氧的溶液中保持稳定钝 态，而且能够在含有任何浓度Cl一离子的含氧 溶液中也保持钝态。
• B．铁素体不锈钢 －铁素体不锈钢是指 室温下组织为铁素体的含铬不锈钢。依 Cr含量不同，可分为Crl3型、Cr16-19型 和Cr25-28型三种 ，耐氯化物应力腐蚀。 随Cr含量的增加，耐氧化酸腐蚀的能力 和抗氧化性均增高。在硝酸等氧化性介 质中，铁素体不锈钢与同等含Cr量的CrNi奥氏体不锈钢耐蚀性相近；
Байду номын сангаас
5.3.不锈钢
• 不锈钢(Stainless steel)是“不锈耐酸钢” 的简称，是指在空气及各种侵蚀性较强 的介质中耐蚀的一类钢种。 Cr的质量分 数大于13%的Fe-Cr合金称不锈钢。一般 指在大气条件下不生锈。用于化学介质 中的耐酸钢，Cr的质量分数须大于17%。
不锈钢在具有优良耐蚀性能的同时，还具 有良好的力学性能及工艺性能(冶炼、加工、焊 接等)，因此自二十世纪初问世以来，获得了迅 速的发展，在化学、石油化工、核能、轻纺、 食品等现代工业中得到了极广泛的应用。据统 计，不锈钢的年产量约为钢总产量的1%，使用 量却占结构材料的17%。随着精炼工艺的进步， 不锈钢正在向高纯、超纯方向发展。
A．钛 易生成TiO2 钝化膜，稳定性高于铝和不锈钢生成 的氧化膜 。 钛是耐海水腐蚀之王，对许多含氧的化合物都耐 腐蚀；耐王水腐蚀，耐湿氯气腐蚀，在各种硝酸中都 耐蚀。但钛在发烟硝酸中和甲醇溶液中会发生晶间腐 蚀，在高浓度硫酸和盐酸中不耐腐蚀。 钛在高温下很不稳定，能剧烈地与氧，硫，卤族元 素，碳，甚至和氮，氨化合。 钛在某些强氧化性环境中，发生自燃爆炸事故。
2.提高金属材料耐腐蚀性的合金化
工业上以纯金属作为耐蚀材料使用的情况 有限，应用较多的则是Fe、Cu、Ni、Ti、 Al、Mg等金属的合金。因而，了解如何 通过合金化来提高金属材料的耐蚀性十 分必要。
金属耐蚀合金化的电化学原理
0 Ec0 Ea 由腐蚀电池的极化理论可知: I Pc Pa R
表3-3铁在氧化性和非氧化性介质中腐蚀的基本规律
碳钢在室温的碱性水溶液中是耐蚀的。 当水溶液中NaOH含量超过lg/L时 (pH>9.5)，在有氧存在的条件下，碳钢就 不再腐蚀了。但在浓碱溶液中，特别是 在高温情况下，碳钢不耐蚀。
• B．耐蚀铸铁---高硅铸铁，含硅1.4-1.8％, 含磷0.5-1.1％ • 5.2.耐蚀低合金钢 (合金元素总质量＜5%) • 低合金钢通常指的是碳钢中合金元 素总量低于5%左右的合金钢。 低合金钢 在强腐蚀介质、大气、海水、土壤中都 不耐蚀，需要采取相应的保护措施。
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纯金属的热力学稳定性可根据标准电极电位近似判 断： 金属标准电极电位﹤0，热力学不稳定； 金属标准电极电位 >0，热力学稳定。 部分热力学不稳定的金属，在适宜条件下，可由 活化态转为钝化态，而提高耐蚀性。 最易钝化的金属有：Zr、Ti、Ta、Nb、Al、Cr、 Be、Mo、Mg、Ni、Co等。 Pb在硫酸溶液中、Fe在磷酸溶液中、Mo在盐酸 溶液中，Zn在大气中，由于生成较致密的保护膜而提 高了耐蚀性。
5.4 铝及其合金
A．工业纯铝导热、导电性好，塑性好，自钝性好， 耐硫和硫化物腐蚀。一般来说纯铝比铝合金耐蚀。 Al 的密度为2.7g/m3，是应用最广泛的轻金属。强度为 88-120MPa，形变后可达147-245MPa，但塑性仍很好。 因此具有很好的冷热加工性能。基于上述优点，无论 在工业(特别是航空工业)中，还是在日常生活中，A1 都获得了广泛的应用。 B．铝合金－能强化铝耐蚀性的合金元素有Cu、 Mg、 Zn、 Mn、Si等， Cu的强化效果最大。
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B． 钛合金 钛合金比强度高，耐蚀性好，多用于航空航天 和人体植入材料。 耐蚀钛合金主要有Ti-32Mo合金和Ti-15Mo-0.2Pd 合金，Ti-Pd合金中加入0.15~0.20%Pd可促进合 金钝化，能提高合金在盐酸和硫酸中的抗蚀性， 并且不易因腐蚀而产生氢脆，但是Ti~Pd合金 不耐强还原性酸的腐蚀。Ti~Pd合金广泛用于 化工工业。 Ti~Mo合金，在强的还原性酸中也具有耐 蚀性(盐酸、磷酸)。
3.合金耐蚀途径 3.1．提高合金的热力学稳定性（提高电极电 位）。 3.2. 降低合金中阳极相的活性 A．减少阳极区的面积，提高阳极极化。 B．加入易钝化元素，促进合金钝化 C．对于能够钝化的腐蚀体系，如果加入能活 化阴极的元素,如Pd、Cu、Ni、Mo等正电性金 属元素，降低阴极极化度，可促使合金进入钝 态（见图5-3）。是很有前途的耐蚀途径。
• ③ Ni-Cr合金 • 因科耐尔（Inconel）:14～16％Cr， 5～9％Fe，2.25～2.75％Ti，0.7～ 1.2%Nb，0.4～1.0％Al, 0.3～1.0%Mo。 如：0Cr15Ni75Fe。它在氧化性和还原 性酸中均有高的耐蚀性。
6. 耐蚀金属材料的选择 6.1．大气：铝及其合金、钛及其合金、铜及 其合金、不锈钢等。 6.2．工业大气：铝及其合金、钛及其合金等。 6.3．海水：钛及其合金、铜及铜合金、铝及 铝合金、镍及镍合金、不锈钢等。
B．镍基合金 ① Ni-Cu合金 又称蒙耐尔（Monel）合金（27～29％Cu，2～ 3％Fe，1.2～1.8%Mn其余为Ni），典型牌号有 Ni70Cu28，其突出优点是耐稀盐酸、硫酸、磷 酸及各种浓度的氢氟酸的腐蚀。 ② Ni-Mo合金 哈 氏 合 金 （ Hastelloy ） - 相 当 于 我 国 的 0Ni65Mo28FeV;00Cr16Ni60Mo17，耐多种浓度 盐酸腐蚀。
根据不同的目的，在钢中加入的合金元素 种类繁多，含量多少也差别很大。 耐大气腐蚀实践表明，由于阳极控制是 大气腐蚀的主要因素，因此合金化对提 高钢的耐蚀性有较大的效果。目前已研 制了一些耐蚀低合金钢。
A．耐大气腐蚀 –加入铜、磷、镍、铬等元素 ，如 15Mn5Cu、09MnCuPTi B．耐海水腐蚀 －Cr、Ni、Al、P、Si、Cu等 ，如 10CrMoAl、12Cr2MoAlPt等 C．耐硫化氢腐蚀 －钼、铌、钛、钒等，稀土元素， 如12MoAlV、15Al3MoWTi等。 D．耐高温高压氢、氮的腐蚀－铬、钼、W、V、Nb、 Ti等，如10MoWVNb、10MoWVNbTi等
C.马氏体不锈钢—马氏体不锈钢是在室温下具有 马氏体组织的含铬不锈纲，该类纲除了含有较 高的Cr(13-18%)外，还含有校高的C（0.1-0.9%） 代表性的钢种是2Cr13、3Cr13、4Cr13、及 9Cr18等。马氏体不锈钢在正常淬火温度下是 纯奥氏体组织，冷却至室温则为马氏体组织。 随含C量的提高，马氏体钢的强度、硬度和耐 磨性均显著提高，但耐蚀性下降。因此，这类 钢主要是用来制造机械性能较高并兼有一定耐 蚀性的器械及量具。
• D．复相不锈钢－为了综合不同组织所具有的 性能，人们发明了复相不锈钢，如马氏体一铁 素体钢及奥氏体一铁素体等双相不锈钢。 马氏体一铁素体双相不锈钢的代表性钢种 为1Cr13，其耐腐蚀性接近于马氏体钢，但硬 度较低，塑性与韧性较高，具有良好的焊接性 能。 奥氏体-铁素体双相不锈钢有Cr18型 、 Cr21型 、 Cr25型 ，对晶间腐蚀、点蚀不敏感， 韧性、焊接性好。 • 。