不锈钢在大气中的腐蚀研究

不锈钢在大气中的腐蚀研究

摘要：本文主要叙述了不锈钢的大气腐蚀机理，不锈钢在大气中是耐蚀的，当含Cr 量达到18 %以上时耐蚀性很好，钼能明显提高不锈钢的耐蚀性,超低碳也能提高其耐蚀性，二氧化硫的影响很小。还讨论了防止大气腐蚀的主要措施。

关键词：大气腐蚀，不锈钢，防护措施

1.引言

金属材料暴露在空气中，由于空气中的水和氧的化学和电化学作用而引起的腐蚀称为大气腐蚀。大气腐蚀是最为常见的腐蚀现象[1]。

钢的大气腐蚀是一个普遍而严重的问题，每年造成巨大的损失。1995 年的统计表明，我国每年因腐蚀而损失的钢材达1×107 t，由于大气腐蚀而造成的损失约占一半[2]。又如美国因各种腐蚀导致的损失达人均1 000 美元，其中大部分是大气腐蚀引起的。因此，自20 世纪初钢的大气腐蚀便成为一个重要的研究领域。钢在自然环境中的大气腐蚀是钢与其周围的大气环境相互作用的结果，由于自然环境的复杂性，其腐蚀过程也是相当复杂的[3]。钢的自然环境腐蚀暴露试验可使人们对钢材在各种自然环境中的腐蚀行为进行评价，抑或对各种钢材的腐蚀性能进行对比，同时亦可能建立起钢的腐蚀速率与多种环境因素数据之间的某种关联。暴露腐蚀试验结果对于研究钢在实际服役条件下的腐蚀情况具有重要参考价值。因此，研究钢在自然环境中大气腐蚀具有重要意义。世界各国以及一些大型钢铁企业都非常重视该项研究，投入了大量的财力、物力进行钢在自然环境下的腐蚀研究工作。

不锈钢具有良好的抗蚀性，一些成熟的不锈钢品种已在大气中获得广泛的应用。铁素体不锈钢430 ( Cr17 ) 在一般大气中通常能成功地使用，304 ( 0Cr18Ni9 ) 及316(0Cr18Ni10Mo2) 奥氏体不锈钢可用在腐蚀性强的大气环境中，如广泛使用于表壳、餐具等各种日常用品及建筑物的柱面等结构中。而马氏体不锈钢410 ( 0～2Cr13) ，由于价格便宜，大量用于要求较低的场合。人们对不锈钢的关注

主要是在特殊介质中的腐蚀。

我国自20世纪60年代开始进行不锈钢的大气腐蚀研究及相应的大气暴露试验。为了获得全面而系统的腐蚀数据，国家科委和国家自然科学基金委组织建立了全国自然环境腐蚀试验研究站网，从1983 年开始进行了5个周期20 a 的数据积累及研究工作[4]，到2006 年，又进一步增加了研究钢种和试验站点，全面拓展了研究领域。

2. 不锈钢的大气腐蚀机理

不锈钢是靠表面形成钝化膜而耐腐蚀的。钝化性能主要来自铬,钝化膜的稳定性随含铬量而增高。含12. 5 %的铬足以在大气中形成自发的钝化膜,但在实际使用中这种钢对钝化膜破坏的自修复能力不足。在大气中保持光亮而经常使用的是含铬17 %以上的不锈钢,镍、钼能促进其钝化膜的稳定性。

一般大气条件下，在表面水膜的单一因素下，不锈钢的钝化膜不会破坏，即使受到破坏，也很容易自修复。但是当表面存在灰尘时,在尘粒的沉积处造成了缝隙，容易保持水膜的存在，同时妨碍了氧的补充。当溶氧量降到很低时，导致钝化膜溶解，而一旦溶解开始，此溶解区与钝化区形成闭塞电池进一步加剧了溶解过程。

不锈钢腐蚀的产生，总是在沉积的尘粒处以点蚀的形态发生，试样向上的一面比向下的一面腐蚀点更普遍。

Azzeri[5 ]根据所测量的腐蚀电位随暴露时间的变化，将初始阶段的抛物线增长解释为钝化膜的扩散控制增厚的过程，而将后期的降低解释为钝化膜结构发生变化。这种解释是很勉强的。还没有人观察到钝化膜结构随时间的变化。这一后期降低过程反而可以说明我们所叙述的机制。在暴露初期,样品表面光亮,尘埃沉积少,钝化膜的破坏不易发生,腐蚀电位随时间的变化反映了钝化膜的增厚过程;而当局部蚀坑产生后,蚀坑数量增加、变大时,必将对宏观腐蚀电位产生影响,造成电位下降。

3.大气腐蚀性的影响因素

除化学成份以外，表面灰尘沉积、不锈钢中Cr的含量、表面粗糙度以及空气中的SO2浓度，也会对不锈钢的大气腐蚀产生影响

1、表面附着的尘埃粒子可以促进不锈钢的腐蚀。当表面存在灰尘粒子时，在尘粒沉积处形成缝隙，容易保持含氯离子的水膜，阻碍了氧的补充，导致钝化膜破坏。另外，此溶解区与临近尘粒沉积处的钝化区会形成闭塞电池加剧了点蚀坑的形成和发展

2、增加不锈钢中Cr和其它合金元素的含量可提高不锈钢的抗腐蚀性能。有实验表明，对于合金元素含量最低的2Cr13不锈钢，在万宁和青岛，第一年锈斑已遍布试片，第三年样品已普遍被锈点覆盖，十二年后在青岛腐蚀失重达到约40g/m2，在万宁达到约80g/m2。而具有高Cr含量的1Cr18Ni9Ti和00Cr18Mo2不锈钢，暴露在Cl-含量最高的万宁地区，第一年后也基本没有腐蚀，三年后有一些锈斑，十二年后腐蚀率分别仅为15g/m2和3g/m2。Kain等研究了在LaQue腐蚀技术中心海洋大气测试点暴露15年和60年后的不锈钢试样，发现不锈钢的抗腐蚀性随合金中铬含量的增加和钼元素的存在而增加，316(0Cr17Ni12Mo2)、310(0Cr25Ni20)、317(0Cr19Ni13Mo)等300系列的奥氏体不锈钢抗腐蚀性最好，其次是201(1Cr17Mn6Ni5N)和202(1Cr18Mn8Ni5N)型奥氏体不锈钢，最后是430(1Cr17)型铁素体不锈钢

3、表面粗糙度对不锈钢抗腐蚀性能有较大影响。De2gerbeck等研究发现精抛光的表面比磨光和酸洗表面在海洋大气环境下更抗腐蚀。Asami等测量了暴露前不同表面状态的钝化膜组成，表面膜中富Cr物质最多的是镜面抛光，然后是光亮退火、2B精饰和精纺呢抛光，而抗腐蚀性顺序也是如此，他们认为不同的表面精度具有不同的表面组成，表面膜中铬的富集是不锈钢在海洋环境下的抗腐蚀性的主要因素。Wallinder等研究了具有四种不同表面状态的304不锈钢在暴露于海洋大气环境下2和7个月后的腐蚀，发现抗腐蚀顺序从大到小依次为光亮退火、酸洗、磨光和未经处理的轧制表面，认为这是由于不同的表面粗糙度具有不同的表面组成和吸湿性引起的。

4、SO2通常不会加速不锈钢的大气腐蚀，甚至可提高其抗腐蚀性。研究结果表明，属于SO2污染大气环境的江津地区对不锈钢的腐蚀性和广州、武汉、北京一样低，非活性阴离子SO2-4能阻碍蚀孔向深度方向发展。硫酸盐的存在和增加