第五章金属材料的耐蚀性能

16Mn 有名的低合金高强度钢 16MnCu 性能更优良（如果加入少量铬和镍， 耐蚀性大为提高） 铜和铬的加入改善钢的钝化性能；镍的加入提 高钢的耐酸耐碱性，提高耐腐蚀疲劳及耐海水 腐蚀的能力。 高耐候性结构钢—含铜钢，耐大气腐蚀，良好 的塑性及可焊性，加工薄壁件，与表面涂料结 合力较强。 中国 10MnSiCu、09MnCuPTi
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铁碳合金 第五章 高硅铸铁 金属的耐蚀性能 低合金钢 不锈钢 有色金属及其合金
第一节 铁碳合金
铁碳合金：碳钢和普通铸铁，是工业上应用最广 泛的金属材料。 特点：产量大，价格低廉，有较好的力学性能及 工艺性能； 耐蚀性较差，可采用多种方法进行 保护； 主要的结构材料，注意其强度。普 通铸铁脆性材料，强度低。
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第三节 低合金钢
低合金钢：合金元素质量分数小于3%的碳钢。 低合金钢是相对于碳钢而言的，是在碳钢的基 础上，为了改善钢的一种或几种性能，而有意 向钢中加入一种或几种合金元素。 加入的合金量超过碳钢正常生产方法所具有的 一般含量时，称这种钢为合金钢。当合金总量 低于3%时称为低合金钢。合金含量在3-10%之间 称为中合金钢；大于10%的称为高合金钢。
2 在酸中 ——盐酸、硫酸、硝酸、氢氟酸、有机酸 判断：酸分子的酸根是否具有氧化性。 非氧化性酸：阴极是氢离子的去极化作用； 氧化性酸：阴极是酸根的去极化作用。
（1）盐酸 典型非氧化性酸，铁碳合金的电极电位低于氢 的电位，腐蚀过程是析氢反应。 腐蚀速度随酸的浓度的增高而迅速加快。 同一浓度下，温度上升，腐蚀速度也直线上升。 在盐酸中，铸铁的腐蚀速度＞碳钢 铁碳合金不能直接用作处理盐酸设备 的结构材料！
总结： 碳钢和普通铸铁的耐蚀性虽然基本 相同，但又不完全一样？（如在浓硫酸中）。 在自然条件下，铸铁比碳钢耐蚀性强。 ① 铸铁的含碳量高，促进钝化；同时铸铁在铸 造时形成的铸造黑皮起一定的保护作用； ② 铸铁有石墨化腐蚀倾向。
第二节 高硅铸铁
硅是铸铁中的常规元素之一，它在普通铸铁中的 含量一般不超过3%。但是，当硅含量超过3%时，硅作为一 种重要的合金元素，对铸铁的组织和性能产生重要影响。 当硅含量为4～6%时，铸铁具有良好的高温组织稳 定性。同时，硅促进铸铁表面形成一种含有硅酸铁的致密 氧化膜，降低铸铁在高温下的氧化速度。因此，这种成分 范围的铸铁是成本低廉的良好的耐热材料。 由于硅含量的增加会导致铸铁中铁素体量的增加， 因而其强度下降，延伸率和冲击韧性提高，但随着含硅量 的增加，铁素体逐渐脆化。
二、在高温氢气氛中的耐蚀性
高温氢腐蚀主要发生在合成氨工业中的氨合成 塔。 氢侵蚀作用：脱碳生成CH4. 防止：钢中加入能形成稳定碳化物的合金元素， 防止氢与钢中的碳反应发生脱碳现象。 合金元素：铬、钼、钒、钨、钛等。
氨合成塔—是在高压、高温下用来使氮气和氢气发生 催化反应以进行氨合成的设备。氨合成塔是合成氨厂 的心脏，是一种结构复杂的反应器 。 现在工业上氨合成是在压力 15.2～30.4MPa、温度 400～520℃下进行的，为防止高压、高温下氢气对钢 材的腐蚀，氨合成塔由耐高压的封头、外筒和装在筒 体内耐高温的内件组成。内件外有保温层，操作时进 塔的冷气体流过内、外筒间的环隙，从而避免外筒温 度过高。这样，外筒只承受高压，可用低合金高强度 钢制作。内件虽然是在高温下操作，但是只承受氨合 成塔进出口的压力差，可用耐热镍铬合金钢制作。
当硅含量超过14%时，其耐腐蚀性提高十分显著。这种高硅 铸铁是一种良好的耐腐蚀材料。但是当硅含量超过18%时， 铸铁明显变脆,并难以加工。最常用的高硅铸铁的含硅量为 14～15%。 高硅铸铁之所以有高的耐腐蚀性是因为在适当的介质条件 下，高硅铸铁的表面形成了一层致密的二氧化硅保护膜。 当含硅量低于14%时，铸铁的耐腐蚀性受氧化铁膜控制。当 含硅量高于14%时，耐腐蚀性受二氧化硅膜控制。因此高硅 耐蚀铸铁的含硅量一定要大于14%。 含硅10%～16%的一系列合金铸铁称为高硅铸铁。
（4）氧化性盐溶液 ① 强去极剂，加速腐蚀；（FeCl3、CuCl2、 HgCl2等） ② 良好的钝化剂，阻止腐蚀。（K2Cr2O7、NaNO2 等） 腐蚀速度→氧化能力 不成正比
4 在气体介质中 高温气体腐蚀、常温干燥气体腐蚀（氯碱厂的 氯气，硫酸厂的SO2及SO3等，对铁碳合金腐蚀不 强烈）、湿气体腐蚀（Cl2， SO2及SO3等，腐蚀 强烈，腐蚀性能与酸相似） 5 在有机溶液中 无水甲醇、乙醇、苯等中，碳钢是耐蚀的； 在纯的石油烃类中，碳钢是耐蚀的，但是若有 水的存在，会遭受腐蚀。
当使用低合金高强度钢时，希望取其强度高的优 点而用较薄的截面，这不仅是为了节省重量而且 也是为了尽可能的经济。但是，必须要充分考虑 腐蚀这一因素，钢材截面愈薄就愈应注意防腐。 任何钢结构的防腐一般都是通过在表面上涂防腐 层并且对防腐层加以保护的方法来达到的。
一些低合金高强度钢具有良好的耐大气腐蚀性能，其 不仅可以提高防腐涂层的效果，而且在某些情况下采 取适当的预防措施甚至还可以在不涂层的状态下暴露 在大气中使用（一种有名的耐大气腐蚀钢—含铬、镍、 铜、磷的低合金钢，开始时生锈，随后完全停止锈 蚀）。 没有任何一种材料耐有可能存在的所有腐蚀条件，低 合金高强度钢的耐大气腐蚀性能随合金元素的组分和 含量而改变。 提高低合金钢耐大气腐蚀性能的元素是铜、磷、硅、 铬、镍和钼。
三、应用
耐酸腐蚀性能优越，广泛用于化工防腐蚀，最 典型的牌号是STSi15，主要用于制造耐酸离心 泵、管道、塔器、热交换器、容器、阀件和旋 塞等。
缺点：质脆，安装、维修、使用时小心。 安装时不能用锤敲打；装配准确，避免局 部应力集中现象；操作时严禁温差剧烈， 或局部受热，特别是开停车或清洗时升温 和降温速度必须缓慢；不宜用作受压设备。
总的来讲，上述各元素在通常含量范围内 对铸铁耐蚀性的影响并不明显。为了改善 铸铁耐蚀性，通常向铸铁中加人Ni、Cr、 Si、Cu和Al等合金元素；Ti（钛）、V（钒） 等元素偶尔也作为合金元素加入。这些元 索单独或联合加入对改善铸铁的耐腐蚀性 和耐热性有很大的作用。
二、耐蚀性能
1 在中性或碱性溶液中 （1）在中性溶液中 钢碳合金腐蚀主要为氧去极化腐蚀。 （2）在碱性溶液中 稀碱溶液（＜30%），缓释作用，因为在合金 表面生成钝化膜。 浓碱溶液（＞30%），钝化膜溶解，随温度上 升，腐蚀加剧。 碱溶液（＞5%）+拉应力→碱脆（液氨、制碱 工业）
优点： （1）改善钢在不同腐蚀环境中的耐蚀性—Baidu Nhomakorabea耐蚀低 合金钢； （2）合金元素少，成本低，强度高，综合力学能力 及加工工艺性能好； （3）耐蚀性比碳钢优越； （4）高强度值（包括高温强度值）。 在自然条件下（特别在大气中）有着比 碳钢强的耐蚀性能以及耐高温气体腐蚀性能。
一、在自然条件下的耐腐蚀
3 盐溶液中 ——中性、酸性、碱性、氧化性盐溶液 （1）中性盐溶液（NaCl） 阴极：溶解氧控制的吸氧腐蚀 随浓度增加，腐蚀速度存在一个最大值，之后逐渐下降。 ① 盐浓度增加，溶解氧含量下降，腐蚀速度降低； ② 盐浓度增加，溶液导电性增加，腐蚀速度上升。 钢铁在高浓度的中性盐溶液中，腐蚀速度较低。
（4）氢氟酸 低浓度（48%—50%）：迅速腐蚀； 高浓度（＞75%—80%，65℃下）：良好稳定性。 （铁的氟化物膜） 在无水氢氟酸中，碳钢耐蚀性更强，但 浓度＜70%时，很快腐蚀。 碳钢制作储存和运输80%以上的氢氟酸 容器。
（5）有机酸 对铁碳合金腐蚀性最强的有机酸：草酸、甲 酸、乙酸和柠檬酸。（但是，与同等浓度的无 机酸相比，腐蚀性要弱很多） 铁碳合金在有机酸中的腐蚀速度随 酸中含氧量增大及温度升高而增大。
（2）酸性盐溶液 两个阴极反应：吸氧反应和析氢反应，强烈腐蚀。 对于铵盐：NH4+离子与铁形成络合物，增加腐蚀性； 高浓度的NH4NO3，由于NO3-的氧化性，促进腐蚀。 （3）碱性盐溶液（Na3PO4，Na2SiO3） pH＞10时同稀碱液一样，腐蚀速度较小，因为生 成铁盐膜，具有保护性，腐蚀速度降低。
其他元素
（3）锰（Mn） 锰和硅在通常含量范围内(Mn 0.5％～0.8％，Si 1％～2％)，并不影响铸铁的耐蚀性能。 （4）硫（S） 硫与铁、锰反应生成硫化物呈单独相析出，起阴 极夹杂物的作用，加速腐蚀（特别在酸性溶液中）。 （5）磷（P） 磷（0.05% ～0.5％），并不能改变铸铁在中性介 质和大气条件下的耐蚀性能，但在某些介质，如未 浓缩的无机酸溶液中，磷含量提高，促进析氢反应， 导致耐蚀性下降。
（2）硫酸
腐蚀速度与硫酸浓度有关。 C＜50%，非氧化性酸，析氢反应，腐蚀速度随浓度增 大而加大，47%—50%腐蚀速度达到最大值； 50%＜C＜75%，腐蚀速度下降； 75%＜C＜80%，碳钢钝化，腐蚀速度很低； 100%＜C，过剩SO3，碳钢腐蚀速度重新增大。 碳钢在发烟硫酸中的使用浓度范围＜105%。
一、合金元素对耐蚀性能的影响
铸铁在大气、海水、酸、碱、盐和其他介质的作用下都 会发生腐蚀。不同的使用条件，不同的腐蚀环境，腐蚀 过程、机理不同，腐蚀形式也不相同。 铁碳合金的基本组成元素为铁和碳，基本组成相为铁素 体、渗碳体及石墨。由于在铸铁中渗碳体（阴）的电极 电位高于铁素体（阳），而石墨（阴）的电极电位又比 渗碳体的高，与电解质溶液接触过程微电池，促进腐蚀。 铸铁在各种环境中的耐蚀性主要由其成分和微观组织 结构决定。铸铁成分中各元素对其耐蚀性都有影响，碳、 硅、锰、磷、硫是铸铁中必然存在的元素。
一、性能特点
（1）耐蚀性能 高硅铸铁之所以有高的耐腐蚀性是因为在适当 的介质条件下，高硅铸铁的表面形成了一层致密的二氧 化硅保护膜。 高硅铸铁在诸如醋酸、磷酸、硝酸、硫酸、铬酸及温度 不高的盐酸等大多数介质中具有良好的耐腐蚀性。 对于能溶解SiO2膜的溶液或能穿透SiO2膜的离子，普通 高硅铸铁是不耐蚀的，因为SiO2与碱生成可溶性的硅酸 盐 ，与氢氟酸生成气态的四氟化硅等使保护膜破坏。
（2）力学性能 硬而脆，力学性能差，应避免承受冲 击力，不能用于制造压力容器。铸件一般不能 采用除磨削以外的机械加工。
二、机械加工性能的改善
硅系耐蚀铸铁由于含硅量高，脆性较高，因此 不能承受冲击载荷。 向含15%硅的铸铁中加入稀土镁合金可以使石墨球化，提 高其强度，同时由于提高了组织的致密性而进一步提高其 耐腐蚀性能。 在含硅13.5%—15%的高硅铸铁中加入6.5%—8.5%的铜可改 善机械加工性能，耐蚀性与普通高硅铸铁相近，但在硝酸 中较差。 在含硅量为10%—11%的中硅铸铁中外加入1%—2.5%的钼、 1.8%—2.0%铜和0.35%稀土金属等。 以上高硅铸铁不耐盐酸 ，可增加钼含量形成氯 氧化钼保护膜，不溶于盐酸，抗盐酸腐蚀性强—抗氯铸件
（1）碳（C） 碳量愈高，其组织中石墨和渗碳体的含 量就愈高。阴极面积增大，析氢反应加速。 在非氧化性酸中的腐蚀速度随含碳量增 加而加快。 在氧化性酸中，阴极组分石墨和渗碳体 使合金易转变为钝态，腐蚀速度下降。 在中性溶液中，阴极为氧的去极化作用， 含碳量变化对腐蚀速度无重大影响。
（2）硅元素（Si） 铸铁中通常都含有1％～3％的硅。当硅含量达到 4％左右时，可适当增加铸铁的耐蚀性。而当硅含量达到14 ％以上时，铸铁的耐蚀性将显著提高。不过硅含量的增加 会使得铸铁的力学性能变得很差，当硅含量大于16％时， 铸铁就会变得很脆、很难加工、因此，铸铁中硅含量一般 控制在14％～16％内。 ① 硅的加入，可在铸铁表面形成致密的SiO2保护膜，这层 膜具有很高的电阻率和较高的化学稳定性，阻止腐蚀介质 对铸铁的进一步腐蚀。 ② 硅的加入还可以使铸铁组织中的基体金属即阳极区域产 生钝化，提高电极电位，有效地提高铸铁的抗化学腐蚀和 电化学腐蚀能力。
铸铁与碳钢的耐蚀性相似，除发烟硫酸外，在 85%—100%的硫酸中非常稳定。 总结： 浓硫酸，温度较高，流速较大——铸铁 发烟硫酸——碳钢（铸铁×晶间腐蚀 ） ＜60%的硫酸——铁碳合金不能使用 温度＞65℃——铁碳合金不能使用
（3）硝酸
钝化 碳钢在硝酸中的钝化随 温度的升高而破坏，同 时当浓度增加时，又会 产生晶间腐蚀。 碳钢与铸铁都不宜作为 处理硝酸的结构材料。