董澤忠,黃春波,薛 春

(1. 國(guó)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(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200437)

?

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(guó)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(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200437)

用電化學(xué)方法研究了C15不銹鋼的點(diǎn)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(diǎn)蝕電位均高于對(duì)比材料316L和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的；C15不銹鋼縫隙試驗(yàn)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(xué)測(cè)試;點(diǎn)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(diǎn)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(lái)的現(xiàn)場(chǎng)使用經(jīng)驗(yàn)表明，C15不銹鋼產(chǎn)品具有全面腐蝕率低、使用壽命長(zhǎng)，且耐點(diǎn)蝕、耐縫隙腐蝕能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)。

本工作利用電化學(xué)方法，按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)對(duì)C15不銹鋼試樣進(jìn)行點(diǎn)蝕電位和縫隙腐蝕測(cè)試，進(jìn)一步研究其耐局部腐蝕的機(jī)理。

1　試驗(yàn)

試驗(yàn)用C15不銹鋼及對(duì)比材料316L、1Cr18Ni9Ti不銹鋼均進(jìn)行固溶處理，尺寸為10 mm×10 mm×10 mm。三種不銹鋼的化學(xué)成分見(jiàn)表1。

表1　試驗(yàn)用材料的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab. 1　Chemical composition of tested materials (mass)　%

根據(jù)化學(xué)成分計(jì)算耐點(diǎn)蝕當(dāng)量(PREN)，初步判斷不銹鋼耐點(diǎn)蝕的能力,見(jiàn)式(1)。

(1)

點(diǎn)蝕電位和縫隙腐蝕測(cè)試分別參照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 17899-1999《不銹鋼點(diǎn)蝕電位測(cè)量方法》和GB/T 13671-1992 《不銹鋼縫隙腐蝕電化學(xué)試驗(yàn)方法》進(jìn)行。試驗(yàn)溶液為30 ℃的3.5%(質(zhì)量分?jǐn)?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(dǎo)線點(diǎn)焊后用環(huán)氧樹(shù)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(hào)，用無(wú)水乙醇清洗吹干后備用。

采用273A電化學(xué)測(cè)試儀對(duì)C15不銹鋼及對(duì)比材料316L、1Cr18Ni9Ti不銹鋼的陽(yáng)極極化曲線進(jìn)行測(cè)試，以獲得點(diǎn)蝕電位。測(cè)試過(guò)程中溶液持續(xù)通高純氮?dú)?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(kāi)始進(jìn)行動(dòng)電位掃描極化測(cè)試，掃描速率為20 mV/min。

用兩臺(tái)ZF-5正方恒電位儀與電解槽組成的回路對(duì)C15不銹鋼進(jìn)行縫隙腐蝕試驗(yàn)。縫隙試樣裝配好，放入溶液中浸泡1 h后，測(cè)量試樣的自腐蝕電位；試樣施加+0.800 V恒電位，記錄電流-時(shí)間曲線,觀察電流變化來(lái)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(diǎn)蝕當(dāng)量(PREN)

由表1可見(jiàn),C15不銹鋼及對(duì)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(jì)算可得，C15、316L、1Cr18Ni9Ti三種材料的耐點(diǎn)蝕當(dāng)量(PREN)分別為35.5、22.9、17.6，這表明C15不銹鋼的耐點(diǎn)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(jiàn)圖1。

2.3陽(yáng)極極化曲線

由圖2可見(jiàn)，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(diǎn)蝕電位Eb分別為0.310 V、0.175 V、0.010 V?？梢?jiàn)，C15不銹鋼的自腐蝕電位、點(diǎn)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(diǎn)蝕的能力均高于對(duì)比材料316 L和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的。

2.4恒電位試驗(yàn)

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(shí)間的變化關(guān)系見(jiàn)圖3。由圖3可見(jiàn)，施加0.800 V恒電位的瞬間，電流急劇降低，且隨時(shí)間的延長(zhǎng)，電流也逐漸緩慢降低。依據(jù)GB/T 13671標(biāo)準(zhǔn)，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(yàn)面無(wú)明顯腐蝕，環(huán)氧樹(shù)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(duì)不銹鋼而言，化學(xué)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(diǎn)腐蝕和縫隙腐蝕的誘因。

對(duì)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(xué)理論[3-4]，在NaCl溶液中，Cl-主要是通過(guò)與鈍化膜中的O2-發(fā)生交換吸附破壞鈍化膜進(jìn)而于與Fe、Cr、Mo、Ni等金屬離子發(fā)生反應(yīng)，促進(jìn)金屬基體陽(yáng)極溶解而腐蝕。

增加不銹鋼抗點(diǎn)蝕能力最有效的合金元素是Cr、Mo。根據(jù)化學(xué)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(shí)加入Cr、Mo元素，材料的化學(xué)穩(wěn)定性、鈍化膜耐蝕性尤其是耐點(diǎn)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(diǎn)蝕性能[2-3]。C15不銹鋼的點(diǎn)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(diǎn)蝕當(dāng)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(guān)：Mo含量高、耐縫隙腐蝕能力高[6]。Mo形成難溶的MoOCl2保護(hù)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(hù)性能好，在施加恒電位極化時(shí)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(diǎn)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(hù)性好的鈍化膜的緣故。

3　結(jié)論

(1) C15不銹鋼及對(duì)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(diǎn)蝕能力最強(qiáng)。

(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(diǎn)蝕電位比對(duì)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(diǎn)腐蝕的能力高于對(duì)比材料316L和1Cr18Ni9Ti不銹鋼的。

(4) 縫隙腐蝕試驗(yàn)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(shí)間的延長(zhǎng)，電流也逐漸緩慢降低；試驗(yàn)面無(wú)明顯腐蝕、環(huán)氧樹(shù)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。

[1]李井中，董澤華，許立銘. 18-5Mo雙相鋼在高濃度鹵水中的點(diǎn)蝕特征[J]. 湖北化工,2000(1):18-20.

[2]梁成浩. 鎳對(duì)304不銹鋼在NaCl溶液中縫隙腐蝕行為的影響[J]. 腐蝕科學(xué)與防護(hù)技術(shù),1999,20(3):147-151.

[3]張艷,李墨,彭曉. Ni-Cr合金在3.5% NaCl溶液中的腐蝕行為[J]. 沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2009,31(5):512-515.

[4]郭鶴桐,劉淑蘭. 理論電化學(xué)[M]. 北京：宇航出版社，1984:249-252.

[5]劉嶺梅. 耐氯化物腐蝕的合金[J]. 化工設(shè)備與防腐蝕，2005(5)：50-52.

[6]肖紀(jì)美. 不銹鋼的金屬學(xué)問(wèn)題[M]. 北京：冶金工業(yè)出版社，1983:263-271.

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(jí)工程師，碩士，從事自潤(rùn)滑減摩、耐蝕等材料研發(fā)，13671505615，13671505615@163.com

TG172

A

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