不锈钢在各种腐蚀环境中的特性及选择

　　当许多容器、管道、阀门、泵、食品、国防、餐具、化纤和炼油等工业中，不锈钢被广泛用于金属材料，而许多容器、管道、阀门、泵、等通常由于与各种腐蚀性介质的接触受到腐蚀而被报废。根据统计，每年世界范围内因腐蚀而报废的钢材约占每年钢材产量的四分之一。在钢铁生产总量中，不锈钢占1%。材料受腐蚀而失效是当今材料研究和发展的三大难题之一。

　　不锈钢板是指具有耐腐蚀性能的一类钢。

　　常用的不锈钢是不锈钢和耐酸钢的合称。

　　不锈钢不必耐酸，但耐酸钢也是不锈钢。

　　所说的不锈钢是指能够抵抗大气和弱腐蚀介质腐蚀的钢种。完全耐腐蚀钢、小于0.1mm/年的腐蚀速度，其腐蚀速率小于0.1mm/年的是耐蚀钢。我们所说的耐酸钢是指在各种强腐蚀介质中能耐酸的钢.若腐蚀速度小于0.1毫米/年，则完全耐腐蚀，腐蚀速度小于1mm/年。所以，不锈钢并非不腐蚀，只是腐蚀速度较慢而已，不会有钢存在。

　　值得一提的是在同一种介质中.不同种类不锈钢的腐蚀速度差异很大，同一种不锈钢在不同的介质中的腐蚀行为也有很大的差异。举例来说.Ni-Cr不锈钢在氧化性介质中有良好的耐腐蚀性，但对非氧化介质(如盐酸)的腐蚀能力差。所以掌握各种不锈钢的特性，对正确选用和使用不锈钢十分重要。

　　不锈钢不但要耐腐蚀，还要承受或传递载荷，所以也要有良好的机械性能。不锈钢板、管材等型材一般加工成构件或零件，所以.要有良好的切削加工性能和良好的焊接性能。

　　按照典型组织，不锈钢分为：铁素体(F)型不锈钢；马氏体(M)型不锈钢；奥氏体(A)型不锈钢；奥氏体铁素体(A-F)双相不锈钢；沉淀硬化型不锈钢。

　　1.金属腐蚀。

　　(1)金属的腐蚀过程。

　　腐蚀是指由于外界介质的作用而逐渐损坏的现象。腐蚀性主要有两种形式：化学腐蚀和电化学腐蚀。实际生产中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀，化学腐蚀时不产生电流，巨在腐蚀过程中形成了一定的腐蚀产物。这一腐蚀产物一般覆盖在金属表面，形成一层薄膜，使金属与介质隔离。

　　若这层化学生成物稳定、致密、完整，并且与金属表面层牢固结合，将大大减轻甚至阻止腐蚀的进一步发展，保护金属。这个保护膜的过程叫做钝化。如氧化膜，如SiO2、Al2O3、Cr2O3等，其结构致密、完整、不疏松、不开裂，不容易剥落，对保护基体金属、避免继续氧化。一种Fe2O3，如铁在高温氧化时产生。与之相反，某些氧化膜是不连续的，或多孔状的，对金属没有保护作用。一些金属的氧化物，如Mo2O3、WO3，在高温时会挥发，完全不受基体的保护。

　　很明显，氧化膜的生成和氧化膜的结构与性质是化学腐蚀的重要特征。所以，提高金属抗化学腐蚀的能力，主要是通过合金化或其他方法，在金属表面形成一层稳定、完整、致密、与基体结合的氧化膜，即钝化膜，电化学腐蚀是金属腐蚀更为重要和普遍的形式，由不同的金属或金属的电极电位不同而组成原电池。

　　这类原电池腐蚀发生于微观组织之间，故称之为微电池腐蚀。电化学腐蚀的特征是有电介质的存在，在不同金属、金属微区之间或相间，存在电位差异连通或接触，同时产生腐蚀电流。

　　二、腐蚀类型。

　　工业生产中金属材料的腐蚀失效形式多种多样。在不同的载荷和介质环境下，不同材料的腐蚀形态表现为以下几类：

　　普通锈蚀：金属裸露表面发生较大面积的锈蚀，虽然降低了构件的有效受力范围和使用寿命，但对局部腐蚀的危害较小。

　　晶间腐蚀：指沿品界发生腐蚀，使晶粒连接被破坏。这一腐蚀危害更大，可使金属变脆或丧失强度，敲击时失去金属声响，容易引起突发性事故。在奥氏体不锈钢中，晶间腐蚀是由于晶界区域与晶内成分或应力存在差异，使晶界区域的电极电位明显降低，从而导致奥氏体不锈钢的腐蚀。

　　压力腐蚀：金属在腐蚀介质和拉应力(外加应力或内应力)的共同作用下会产生断裂现象。以晶断口为主，也有穿晶型，这是一种危险的低应力脆断口，应力腐蚀在氯化介质和碱性氧化物或其他水溶性介质中经常发生，在许多设备事故中占有相当大的比重。

　　点蚀：点腐蚀是发生在金属表面局部区域的一种腐蚀破坏形式，在点腐蚀形成后能够迅速深入，最后穿透金属。点蚀危害很大，特别是对各种容器来说是极其不利的。发现锈蚀后应及时打磨或涂漆，以免腐蚀加深。

　　造成金属表面钝化的原因是由于介质的作用导致金属表面钝化膜受到局部损伤。或在含氯离子的介质中，其表面疏松、非金属夹杂物等均能引起点腐蚀。

　　锈蚀疲劳：金属在腐蚀介质和交变应力作用下发生破坏，其特征是产生腐蚀坑和大量裂纹。明显降低钢材疲劳强度，导致早期断裂。与机械疲劳不同，腐蚀疲劳没有一定的极限，疲劳强度随循环次数的增加而降低。

　　除以上各种腐蚀形式外，还有由宏观电池作用引起的腐蚀。举例来说，金属部件与铆接材料的铆钉不同，异种金属的焊接，由于电极电位的差异，船体和螺旋桨材料的不同而引起的腐蚀。

　　通过以上腐蚀机理可以看出，应注意防止腐蚀的重点：尽量减少原电池的数量，使钢表面形成一层稳定、完整的钝化膜，并与钢基体结合牢固；在形成原电池时，尽量减少两极之间的电极电位差。

　　不锈钢合金化原理。

　　改善钢材抗腐蚀性能的方法有：表面镀层耐蚀、涂层非金属层、电化学保护及变腐蚀环境介质等。但采用合金化方法，提高材料本身的抗腐蚀性能是防止腐蚀破坏最有效的措施之一。

　　(1)钢中加入合金元素，提高其电极电位，从而提高其抗电化学腐蚀能力。普通钢中加入碳、铁、硅等元素可以提高钢的电极电位。当Ni较少时，Si的大量添加会使钢发生脆化，所以只有Cr是常用的提高钢电极电位的元素。

　　Cr可增加钢的电极电位，但不呈线性关系。试验表明，钢的电极电位随合金元素的增加，存在着从量变到质变的1/8规律。

　　在Cr含量达到一定值时，即1/8原子(l/8、2/8、3/8……)，电极电位就会发生突变。结果，几乎所有不锈钢的Cr含量都高于12.%(原子)，也就是11.7%(质量)以上。

　　(2)合金元素的加入使钢表面形成一层稳定、完整的纯化膜，它与钢的基体结合牢固。这样，钢的抗化学腐蚀能力得到提高。例如在钢中加入Cr、Si、Al等合金元素，可使钢表面形成致密的氧化膜，如Cr2O3、SiO2、Al2O3等，从而提高钢的耐蚀性。

　　(3)合金元素的加入可使钢在常温下单相存在，减少微电池数，从而提高钢的耐蚀性。例如添加足够数量的Cr或Cr-Ni，在室温下得到单相铁素体或单相奥氏体。

　　(4)添加Mo、Cu等元素以增强抗腐蚀能力。

　　(5)加入Ti、Nb等元素，可消除Cr的晶间偏析，从而缓解晶间腐蚀倾向。

　　(6)添加Mn、N等元素替代部分Ni得到单相奥氏体组织，可显著提高铬不锈钢对有机酸的耐蚀性。

　　不锈钢品种及特性。

　　不锈钢分为两大类：一类是按合金元素特性分为铬不锈钢和铬镍不锈钢。

　　二是根据钢在正火状态下的组织状态，分为M不锈钢、F不锈钢、A不锈钢、A一F两相不锈钢。

　　三、马氏体不锈钢。

　　马氏体不锈钢主要有1Cr13~4Cr13、9Cr18等。

　　Cr13钢的加工工艺性能优良。可进行深冲，弯曲，卷边，焊接，无需预热。2Crl3冷变形前不需要预热，但焊接前需要预热，1Crl3、2Cr13主要用于制造涡轮叶片等耐腐蚀结构件，而3Cr13、4Cr13主要用于制造医疗器械外科手术刀和耐磨零件；9Crl8可做耐腐蚀轴承和刀具。

　　四、铁素体不锈钢。

　　铁素不锈钢的含碳量一般在13%~30%的范围内，在0.25%以下。有时候添加其他合金元素。金相组织以铁素体为主，加热和冷却时无αγ相变，无法用热处理强化。极强的抗氧化。此外，它还具有良好的热加工性能和一定的冷加工性能。铁素体不锈钢主要用于制造对腐蚀性能有较高要求的抗腐蚀性能的构件，广泛用于生产硝酸、氮肥等设备及化工管道等。

　　铁素体不锈钢主要有Crl7、Cr25、Cr28三种。

　　五、奥氏体不锈钢。

　　在马氏不锈钢中，奥氏体不锈钢是一种抗腐蚀能力差、脆性大的材料。基料为8%,Ni8%简称18-8钢的基料。特征为合碳量小于0.1%，用Cr、Ni配合得到单相奥氏体组织。

　　奥氏作不锈钢一般用于生产硝酸、硫酸等化工设备元件，冷冻工业的低温设备构件，经形变强化后可用作不锈钢弹簧、钟表发条等。

　　奥氏体不锈钢具有较好的抗均匀腐蚀性能，但局部抗腐蚀仍存在以下问题：

　　奥氏体不锈钢晶间腐蚀。

　　在450~850℃进行保温或缓慢冷却时，奥氏不锈钢会发生晶问腐蚀。

　　随着碳含量的增加，晶间蚀倾向性增加。晶间腐蚀是焊接件热影响区的主要原因之一。Cr23C6是由Cr23C6在晶界上析出的产物。这就使得它周围的基体产生贫铬区，从而形成腐蚀原电池。上述铁素体不锈钢也存在着上述晶间腐蚀现象。

　　在工程中，常用下列方法防止晶间腐蚀：

　　(1)降低钢中碳含量，使钢中碳含量低于平衡状态时在奥氏体内的饱和溶解度，从根本上解决了铬碳化物(Cr23C6)析出晶界的问题。钢中碳含量通常低于0.03%就能满足抗晶间腐蚀的要求。

　　(2)添加Ti、Nb等能形成稳定碳化物(TiC或NbC)的元素，避免在晶界上析出Cr23C6，可以防止奥氏体不锈钢的晶间腐蚀。

　　(3)调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成元素的比例，使之具有奥氏体+铁索体双相组织，铁素体占5%一12%。这样的双相组织不容易产生晶间腐蚀。

　　(4)采用适当的热处理工艺，可防止晶间腐蚀，获得更佳的耐腐蚀性。

　　奥氏体不锈钢的应力腐蚀。

　　由于应力(主要是拉应力)和腐蚀的综合作用而产生的裂纹称为应力腐蚀裂纹，简称SCC。在含氯离子腐蚀介质中，奥氏体不锈钢易发生应力腐蚀。在含氮量为8%一10%的情况下，奥氏体不锈钢的应力腐蚀倾向性更大，继续使含Ni量至45~50%的应力腐蚀倾向逐渐降低直至消失。

　　预防奥氏体不锈钢应力腐蚀的主要途径是添加Si2~4%，在冶炼过程中控制N含量在0.04%以下。另外，P、Sb、Bi、As等杂质应尽量降低。此外还可以选择A-F型双相钢，该钢对应力腐蚀和OH-不敏感。最初开始的微细裂纹遇到铁素体相后不再继续扩展，铁素体含量约为6%。

　　3、奥氏作不锈钢的变形强化。

　　单相态的奥氏体不锈钢具有良好的冷变形性能，可冷拔成非常细的钢丝，冷轧成非常薄的带或钢管。大变形后，钢的强度大幅度提高，特别是在轧制零下温区时，效果更加明显。拉伸强度达到2000MPa以上。由于形变诱发M转变除了冷硬化效应外，还会叠加形变诱发M转变。

　　经过形变强化的奥氏不锈钢可用于制造不锈弹簧、钟表发条、航空结构用钢丝绳等。变形后如需进行焊接，则只能采用点焊工艺，变形使应力腐蚀倾向增大。而且，由于部分γ->M的转变会产生铁磁性，在使用时应该考虑到(例如在仪器部件中)。

　　形变温度随形变量变化，当形变量为60%时，再结晶温度降为650℃，冷变形奥氏体不锈钢再结晶退火温度为850~1050℃，850℃时需保温3h,850℃时的再结晶温度为650℃。

　　4、奥氏用于不锈钢的热处理。

　　在奥氏体不锈钢中，常用的热处理方法有固溶处理、稳定处理和去应力处理等。

　　(1)固溶处理。加热钢水淬火至1050~1150℃，其主要目的是使碳化物在奥氏体中溶解，并保持这种状态至室温，从而大大改善钢的耐腐蚀性能。

　　为了防止晶问的腐蚀，一般采用固溶化法，使Cr23C6在奥氏体中溶解，然后迅速冷却。对薄壁件可以采用空气冷却，一般采用水冷却。

　　(2)稳定处理。通常经过固溶处理后进行，常用于含有Ti、Nb的18-8钢，经固处理后，将钢加热至850~880℃保温，此时Cr的碳化物完全溶解，脱而钛的碳化物不完全溶解，并在冷却过程中充分析出，使碳不可能再形成铬的碳化物，从而使碳不能再形成铬的碳化物，从而有效地消除晶间腐蚀。

　　(3)消除应力。热处理工艺一般加热至300~350℃，回火温度为300~350℃，以消除冷焊或焊接残余应力。对不含稳定元素Ti、Nb的钢，其加热温度不得超过450℃，以免铬碳化物析出而造成晶间腐蚀。对超低碳及含Ti、Nb不锈钢的冷加件和焊接，需在500~950℃下进行，加热、缓冷、消除应力(消除焊接应力的上限温度)，可减轻晶间腐蚀倾向，提高钢的应力腐蚀抗力。

　　六、奥氏体-铁素体双相不锈钢。

　　以奥氏不锈钢为基础，适当增加Cr含量，降低Ni含量，并与回溶化处理相结合，可以获得奥氏体和铁素体(含40~60%δ-铁素体)的不锈钢，典型钢号有0Cr21Ni5Ti、1Cr21Ni5Ti、OCr21Ni6Ti等。双相不锈钢焊接性能好，焊后无需热处理，且晶间腐蚀、应力腐蚀倾向较小。但是Cr的含量较高，容易形成σ相，在使用时应注意。