淺議Cl—對常見不銹鋼的腐蝕機理及預防措施

宋瑞+牛麗君

摘要：對于奧氏體不銹鋼在Cl— 環(huán)境下的腐蝕，各種權威的書籍均有嚴格的要求，Cl— 含量要小于25ppm，否則就會發(fā)生應力腐蝕、孔蝕、晶間腐蝕及其他類型的腐蝕。在實際工程應用中，有很多高濃度的Cl— 含量的環(huán)境中需使用奧氏體不銹鋼，因此分析Cl— 對不銹鋼的腐蝕，從而對癥采取預防措施，延長使用壽命具有很高的經濟效益和安全生產需求。

關鍵詞：Cl— 、不銹鋼、晶間腐蝕、鈍化

1. 前言

不銹鋼是上世紀初起源于英美德等國家的新型現代化金屬材料，在數十年的應用中逐步發(fā)展，工藝逐漸成熟。通常情況下，在不同的腐蝕環(huán)境中，不銹鋼產品的適應性不盡相同，腐蝕失效的類型也是多種多樣的.不一樣的材料和不同的金屬成分占比在不一樣的負荷及不一樣介質環(huán)境中，其腐蝕方法不同。

常見幾種腐蝕材料中，尤以Cl— 對奧氏體不銹鋼的腐蝕最為明顯，目前相關的技術文件及權威出版物均對腐蝕環(huán)境中Cl—含量做了明確的要求，不超過25ppm。

2. 常用不銹鋼的腐蝕機理及程度分析

不銹鋼中的主要合金元素是Cr（鉻），只有當Cr含量達到一定值時，鋼材才具有耐蝕性。常見的材料中，不銹鋼Cr含量一般在10.5%以上。不銹鋼的耐蝕機理為鈍化膜理論，即其表面形成一層極薄而堅固細密的穩(wěn)定的富Cr鈍化膜，防止氧原子繼續(xù)滲入、氧化內層金屬，從而達到防銹蝕的能力。

通常情況下，不銹鋼發(fā)生的腐蝕破壞多是局部腐蝕破壞，最常見的有晶間腐蝕、點蝕和應力腐蝕，占比如附圖所示；

2.1 晶間腐蝕

晶間腐蝕是沿品界進行的腐蝕，使晶粒的銜接遭到損壞.這種腐蝕的危害性最大，它可以使金屬變脆或損失強度，敲擊時失去金屬彈性，易構成偶然事端.晶間腐蝕為奧氏體不銹鋼的主要腐蝕類型，這是因為晶界區(qū)域與晶內成分或應力不一致，致使晶界區(qū)域電極電位明顯降低而構成的電極電位差不一樣所導致.

晶間腐蝕是由于晶界上貧Cr，導致該區(qū)域優(yōu)先腐蝕，進而使晶粒整體從金屬上脫離。熱處理450℃～850℃溫度區(qū)間中C與Cr易形成碳鉻化合物（Cr23C6），晶界處消耗的Cr不能及時從晶粒中得到補充，使晶界區(qū)域貧Cr，這是導致晶間腐蝕的關鍵。

2.2 應力腐蝕

金屬在腐蝕介質及拉應力（外加應力或內應力）的共同作用下發(fā)生決裂表象，開裂方法首要是沿晶界的、也有穿晶界的，這是一種風險較大的低應力脆性開裂、在氯化介質和堿性氧化物或其它水溶性介質中常發(fā)生應力腐蝕，在許多設備的破損事故中占有相當大的比例。

不銹鋼的應力腐蝕是不銹鋼失效中發(fā)生次數最多，后果最嚴重的腐蝕形式。若腐蝕過程中有輕微裂紋的產生，其擴展速率將會比其他腐蝕類型快幾個數量級，造成災難性的后果?；S，核電站，鍋爐等常出現不銹鋼材料應力腐蝕開裂的現象。

多年來，不銹鋼應力腐蝕問題得到了廣泛的研究，提出了多種不同的機理來解釋應力腐蝕現象，但迄今尚無公認的統(tǒng)一機理。由于應力腐蝕是一個與腐蝕有關的過程，其機理必然與腐蝕過程中的陽極和陰極反應有關，因而應力腐蝕機理主要分兩大類：陽極溶解型和氫致開裂型，以及在這兩類機理基礎上發(fā)展起來的表面膜破裂理論、活性通道理論、應力吸附開裂理論、腐蝕產物楔入理論和閉塞電池理論等。

造成應力腐蝕主要有三個方面因素：材料、腐蝕環(huán)境和拉應力。材料因素包括元素含量、熱處理、微觀組織及表面狀態(tài)；腐蝕環(huán)境包括介質種類、溫度、電位及液體流動速率；拉應力包括服役應力、安裝應力、殘余應力及拉伸速率等。

2.3 點腐蝕

點腐蝕是發(fā)生在金屬外表部分區(qū)域的一種腐蝕損壞方法。點腐蝕構成后能迅速地向深處發(fā)展，最終穿透金屬，形成孔洞腐蝕。

在介質中，金屬外表鈍化膜遭到部分破壞，從而引發(fā)點腐蝕。在富含Cl—的介質中，材料外表缺點、疏松及非金屬夾雜物等都可導致點腐蝕。點腐蝕一般在靜止的介質中容易發(fā)生，蝕孔通常沿著重力方向或橫向方向發(fā)展?？孜g一旦形成即向深處自動加速。表面的氧化膜在含有氯離子的水溶液中溶解，導致在基底金屬上生成孔徑為20μm～30μm 小蝕坑，這些小蝕坑便是孔蝕核。在氯離子的作用下，孔蝕核迅速發(fā)展成蝕孔。

2.4 腐蝕疲憊

金屬在腐蝕介質及交變應力效果下發(fā)生的損壞，其特點是產生腐蝕坑和很多裂紋，降低鋼的疲勞強度，致使金屬過早開裂。腐蝕疲勞不同于機械疲勞，它沒有必定的疲勞極限，隨著交變應力作用的循環(huán)次數的增加，疲勞強度持續(xù)降低，最終形成金屬開裂。.

3. 對常用不銹鋼Cl— 腐蝕的預防處理

綜上，不銹鋼腐蝕的原因多種多樣，但最終的機理基本一致，對不同類型的腐蝕應選擇對應的防護措施。

對晶間腐蝕的預防，通常是選擇低碳不銹鋼，并添加穩(wěn)定化元素Ti、Nb等，在加工中做好固溶退火處理；

對點蝕的預防，通常是選擇耐Cl— 腐蝕性強的材料，并防止Cl— 附著，是預防點蝕的重要手段；對加工成品要進行合理的表面處理，形成穩(wěn)定鈍化膜。

對應力腐蝕的預防，主要是在加工中做好熱處理， 減少高應力部件的應力集中，防止加工過程中產生應力效應。

綜合以上幾種不同類型不銹鋼腐蝕的預防措施及腐蝕機理可見，不銹鋼的選擇應遵循以下幾點要求：

（1）根據不同的腐蝕環(huán)境選擇不同類型的不銹鋼；

（2）根據需要選擇不同碳含量和穩(wěn)定金屬元素含量的不銹鋼；

（3）對鋼構件做好退火處理，消除應力；

（4）對鋼構件表面做好鈍化膜的處理和保護

4. 總結

在科學技術日新月異，科研水平不斷提高的新時代，新材料的研發(fā)速度仍然不能完全解決腐蝕問題的發(fā)生。在實際工程應用中不銹鋼材料的腐蝕問題層出不窮，目前的預防措施雖然取得了一定的成效，但仍存在嚴重不足，各種防護手段都只能在一定范圍內起到作用。長遠考慮，合理選材，實時監(jiān)測依然是控制腐蝕的關鍵。

在實際使用中，針對不同的腐蝕環(huán)境，應因地制宜選擇穩(wěn)定金屬含量不同和含碳量不同的不銹鋼材料。endprint