C15不銹鋼在3.5%NaCl溶液中的耐蝕性

董澤忠,黃春波,薛 春

(1. 國核工程有限公司,上海 200233; 2. 上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室,上海 200437)

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C15不銹鋼在3.5%NaCl溶液中的耐蝕性

董澤忠1,黃春波2,薛 春2

(1. 國核工程有限公司,上海 200233; 2. 上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室,上海 200437)

用電化學方法研究了C15不銹鋼的點蝕電位和縫隙腐蝕行為。結(jié)果表明:在30 ℃的3.5% NaCl溶液中，C15不銹鋼的自腐蝕電位和點蝕電位均高于對比材料316L和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的；C15不銹鋼縫隙試驗用試樣在施加0.8 V(SCE)恒電位條件下不發(fā)生腐蝕。

C15不銹鋼;電化學測試;點蝕電位;縫隙腐蝕

在海洋環(huán)境、油田污水及含氯離子的化工介質(zhì)中，氯離子含量高，一般不銹鋼產(chǎn)品在此環(huán)境中的耐全面腐蝕能力尚好，但易發(fā)生點蝕、縫隙腐蝕等局部腐蝕[1-2]，影響使用壽命。C15不銹鋼是一種在含氯離子腐蝕環(huán)境中具有優(yōu)良耐蝕性的材料。多年來的現(xiàn)場使用經(jīng)驗表明，C15不銹鋼產(chǎn)品具有全面腐蝕率低、使用壽命長，且耐點蝕、耐縫隙腐蝕能力強的優(yōu)點。

本工作利用電化學方法，按照國家標準對C15不銹鋼試樣進行點蝕電位和縫隙腐蝕測試，進一步研究其耐局部腐蝕的機理。

1　試驗

試驗用C15不銹鋼及對比材料316L、1Cr18Ni9Ti不銹鋼均進行固溶處理，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。三種不銹鋼的化學成分見表1。

表1　試驗用材料的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab. 1　Chemical composition of tested materials (mass)　%

根據(jù)化學成分計算耐點蝕當量(PREN)，初步判斷不銹鋼耐點蝕的能力,見式(1)。

(1)

點蝕電位和縫隙腐蝕測試分別參照國家標準GB/T 17899-1999《不銹鋼點蝕電位測量方法》和GB/T 13671-1992 《不銹鋼縫隙腐蝕電化學試驗方法》進行。試驗溶液為30 ℃的3.5%(質(zhì)量分數(shù),下同)NaCl溶液，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑片工作電極為試樣。試樣用銅導線點焊后用環(huán)氧樹脂封樣，工作面積1 cm2。試樣工作面依次用金相砂紙打磨至800號，用無水乙醇清洗吹干后備用。

采用273A電化學測試儀對C15不銹鋼及對比材料316L、1Cr18Ni9Ti不銹鋼的陽極極化曲線進行測試，以獲得點蝕電位。測試過程中溶液持續(xù)通高純氮氣,試樣在溶液中浸泡10 min，待自腐蝕電位(Ecorr)穩(wěn)定后,從自腐蝕電位開始進行動電位掃描極化測試，掃描速率為20 mV/min。

用兩臺ZF-5正方恒電位儀與電解槽組成的回路對C15不銹鋼進行縫隙腐蝕試驗?？p隙試樣裝配好，放入溶液中浸泡1 h后，測量試樣的自腐蝕電位；試樣施加+0.800 V恒電位，記錄電流-時間曲線,觀察電流變化來判斷試樣是否發(fā)生腐蝕。

2　結(jié)果與討論

2.13種材料的耐點蝕當量(PREN)

由表1可見,C15不銹鋼及對比材料316L、1Cr18Ni9Ti不銹鋼的Cr含量均為16%～18%，屬于18Cr型不銹鋼。C15、316L、1Cr18Ni9Ti三種不銹鋼的Ni含量約按2%依次遞減，而Mo含量約按2%～3%依次遞減。

由式(1)計算可得，C15、316L、1Cr18Ni9Ti三種材料的耐點蝕當量(PREN)分別為35.5、22.9、17.6，這表明C15不銹鋼的耐點蝕能力大于316L和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的。

2.2金相組織

C15不銹鋼固溶后的金相組織是奧氏體組織，有彌散分布的第二相和少量沿晶碳化物，見圖1。

2.3陽極極化曲線

由圖2可見，C15、316L、1Cr18Ni9Ti三種不銹鋼的自腐蝕電位Ecorr分別為-0.333 V、-0.352 V、-0.586 V;三種材料的點蝕電位Eb分別為0.310 V、0.175 V、0.010 V?？梢?，C15不銹鋼的自腐蝕電位、點蝕電位均高于316L和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的，這表明C15不銹鋼耐均勻腐蝕和耐點蝕的能力均高于對比材料316 L和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的。

2.4恒電位試驗

C15不銹鋼縫隙試樣在30 ℃、3.5% NaCl溶液中(溶液未通N2除氧)浸泡1 h后，自腐蝕電位為-0.154 V。試樣施加0.800 V恒電位后，電流隨時間的變化關系見圖3。由圖3可見，施加0.800 V恒電位的瞬間，電流急劇降低，且隨時間的延長，電流也逐漸緩慢降低。依據(jù)GB/T 13671標準，可以判定試樣未發(fā)生腐蝕。試樣工作面用20X放大鏡觀察，試驗面無明顯腐蝕，環(huán)氧樹脂密封完好。誘發(fā)縫隙腐蝕后能再鈍化的最正電位Vrp>0.800 V。

2.5討論

對不銹鋼而言，化學成分特別是Cr、Mo、Ni等耐蝕元素的綜合作用，不僅決定了不銹鋼組織形態(tài)，還決定了不銹鋼表面鈍化膜成分與性質(zhì)[3-4]。

C15不銹鋼組織較均勻，晶界只有少量沿晶碳化物，減少了因晶界腐蝕而發(fā)生點腐蝕和縫隙腐蝕的誘因。

對不銹鋼表面鈍化膜形成有影響的成分主要是Cr、Mo、Ni等元素[4]。鈍化膜是一層很薄的致密氧化物膜。根據(jù)電化學理論[3-4]，在NaCl溶液中，Cl-主要是通過與鈍化膜中的O2-發(fā)生交換吸附破壞鈍化膜進而于與Fe、Cr、Mo、Ni等金屬離子發(fā)生反應，促進金屬基體陽極溶解而腐蝕。

增加不銹鋼抗點蝕能力最有效的合金元素是Cr、Mo。根據(jù)化學成分分析，三種鋼的Cr含量相差不多，屬于18Cr型不銹鋼，都能形成鈍化區(qū)。Mo是提高不銹鋼耐蝕性的有效元素，在不銹鋼中同時加入Cr、Mo元素，材料的化學穩(wěn)定性、鈍化膜耐蝕性尤其是耐點腐蝕性能，都能明顯提高[1，5]。Ni是形成奧氏體和穩(wěn)定奧氏體的最佳元素，可以避免氧化膜的還原，也能提高鋼的耐點蝕性能[2-3]。C15不銹鋼的點蝕電位比316L、1Cr18Ni9Ti不銹鋼的高，這可能與C15不銹鋼的Mo、Ni含量高、耐點蝕當量大的緣故。

不銹鋼耐縫隙腐蝕的能力主要與不銹鋼中的Mo含量相關：Mo含量高、耐縫隙腐蝕能力高[6]。Mo形成難溶的MoOCl2保護膜，從而防止氯離子穿透鈍化膜。由于C15不銹鋼中的Mo含量高，形成的鈍化膜含有Mo、Cr、Ni耐蝕元素，鈍化膜的保護性能好，在施加恒電位極化時仍處于鈍化狀態(tài)而不發(fā)生腐蝕。

C15不銹鋼具有高的耐點蝕和耐縫隙腐蝕的能力，這主要與該鋼種組織均勻、晶界碳化物少及有高含量Cr、Mo、Ni等耐蝕元素，表面形成含Cr、Mo、Ni的保護性好的鈍化膜的緣故。

3　結(jié)論

(1) C15不銹鋼及對比材料316L、1Cr18Ni9Ti不銹鋼中，Cr含量為16%～18%，屬于18Cr型不銹鋼。三種不銹鋼的Ni含量大致按2%左右遞減，Mo含量按2%～3%遞減。根據(jù)PREN結(jié)果，C15不銹鋼的耐點蝕能力最強。

(2) 固溶后C15不銹鋼的金相組織是奧氏體組織，含有彌散分布的第二相和少量沿晶碳化物。

(3) 在30 ℃的3.5% NaCl溶液中，C15不銹鋼的自腐蝕電位和點蝕電位比對比材料316L和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的高，這表明C15不銹鋼耐均勻腐蝕和耐點腐蝕的能力高于對比材料316L和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的。

(4) 縫隙腐蝕試驗結(jié)果表明,C15不銹鋼施加0.800 V恒電位后的瞬間電流急劇降低；隨時間的延長，電流也逐漸緩慢降低；試驗面無明顯腐蝕、環(huán)氧樹脂密封完好。誘發(fā)縫隙腐蝕后能再鈍化的最正電位Vrp>0.800 V。

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Corrosion Resistance of C15 Stainless Steel in 3.5% NaCl Solution

DONG Ze-zhong1, HUANG Chun-bo2, XUE Chun2

(1. State Nuclear Power Engineering Company, Shanghai 200233, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Engineering Materials Application and Evaluation, Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

The pitting potential and crevice corrosion behavior of C15 stainless steel were investigated by electrochemical measurements. The results show that the corrosion potential and pitting potential of C15 steel were higher than those of contractive materials of 316L and 1Cr18Ni9Ti stainless steels in 3.5% NaCl solution at 30 ℃. The corrosion of specimen for crevice corrosion of C15 steel did not occur obviously at applied potential of 0.8 V(SCE).

C15 stainless steel; electrochemical measurement; pitting potential; crevice corrosion

10.11973/fsyfh-201609006

2016-06-20

黃春波(1972-)，高級工程師，碩士，從事自潤滑減摩、耐蝕等材料研發(fā)，13671505615，13671505615@163.com

TG172

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1005-748X(2016)09-0720-03