不锈钢耐腐蚀机制及其应用 - 北京大学化学与分子工程学院.pdf

  不锈钢耐腐蚀机制及其应用                                       北京大学地地球与空间科学学院 刘嘉超 2008-11-11 关键词：不锈钢 耐腐蚀 工业用途 1 引言 不锈钢指耐弱腐蚀介质腐蚀的钢，其耐蚀性取决于钢中所含的合金元素。铬是使不锈钢获 得耐蚀性的基本元素，当钢中含铬量达到1.2％左右时，铬与腐蚀介质中的氧作用，在钢表 面形成一层很薄的氧化膜（ 自钝化膜），可阻止钢的基体进一步腐蚀。除铬外，常用的合金 元素还有镍、钼、钛、铌、铜、氮等，以满足各种用途对不锈钢组织和性能的要求[1] 。 由于不锈钢耐弱腐蚀介质腐蚀的特性，在工业上扮演着重要的角色，如：在海洋、化工 等腐蚀性环境中使用的轴承,要求轴承有较高的耐磨性同时还要求有一定的耐腐蚀性能。目 前我国一些轴承生产企业在设计、生产不锈轴承时主要选用9Cr18 、9Cr18Mo 不锈钢[2-4], 有时还选用3Cr13 、4Cr13 等马氏体不锈钢。随着我国国民经济的发展，对不锈钢需求也日 益增长。2000年，亚洲对不锈钢的 需求增加，我国需求亦大增。1980－1995年，不锈钢消 费年均增长15.5%，尤其是进入90年代以来增长速度进一步加快，年均增长速度超过20% 。 1997年不锈钢的消费量为74万吨，1998年增加到88万吨。其中，板材69万吨，占总消费量的 78%，冷轧板43 万吨，占总消费量的49% 。随着国民经济的发展和人民生活水平的提高， 不锈钢的消费领域将进一步扩大。2000年我国不锈钢需求量将达到100万吨。当 时，国内不 锈钢的生产厂家虽有20多家，但生产能力在1万吨以上的企业不到一半。需求增加，产能不 足导致镍价和不锈钢价格上扬，这在2000年上半年表现 明显。2000年下半年，受季节性影 响，另外受欧元疲软，欧洲镍厂报出了较低的价格。欧洲不锈钢厂商借助欧元疲软之势，低 价销售货物，导致亚洲市场不锈钢 价格进一步下跌。这时，镍价由2000年的最高点10000 美元/ 吨跌至6500美元/ 吨[5] 。 为了更好的理解不锈钢抗腐蚀的机理， 本文对不锈钢耐腐蚀原理、性能、制备流程以及 应用进行了研究。 2. 不锈钢耐腐蚀原理 铁是用量最大的工程材料。钢铁是铁和碳合金体系的总称。由于炼铁的铁矿石主要成分为 氧化铁，由焦炭还原而得到的铁中含有大量杂志碳，随体系含碳量的不同，可以划分为生铁、 熟铁和钢[6] 。(1)生铁：含碳量约1.7%-4.5%；还可能含有其他杂质如P 、N 、Si、S等，它脆 而硬，只能铸造，又称铸铁；(2)熟铁：含碳量低于0.1%，它坚韧而有延展性，可以锻打； (3) 钢：含碳量介于两者之间，为0.1%-1.7% 。铁生锈的原因除了由于铁的化学性质活泼以 外，同时与外界条件也有很大关系。水分是使铁容易生锈的物质之一。然而，光有水也不会 使铁生锈，只有当空气中的氧气溶解在水里时，氧在有水的环境中与铁反应，才会生成氧化 铁，这就是铁锈。铁锈是一种棕红色的物质，它不像铁那么坚硬，很容易脱落，一块铁完全 生锈后，体积可胀大8倍[7] 。如果铁锈不除去，这海绵状的铁锈特别容易吸收水分，铁也就 烂得更快了。 所有金属都和大气中的氧气进行反应，在表面形成氧化膜。不幸的是，在普通碳钢上形成 的氧化铁继续进行氧化，使锈蚀不断扩大，最终形成孔洞。可以利用油漆或耐氧化的金属（例 如，锌，镍和铬）进行电镀来保证碳钢表面，但是，这种保护是一种薄膜，如果保护层被破 坏，下面的钢便开始锈蚀。不锈钢的耐腐蚀性取决于铬，但是因为铬是钢的组成部分之一， 所以保护方法不尽相同。在铬的添加量达到 10.5％时，钢的耐大气腐蚀性能显著增加，但铬