金屬與腐蝕介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而變質(zhì)的現(xiàn)象稱為腐蝕。常見的金屬腐蝕有晶間腐蝕、點(diǎn)腐蝕、應(yīng)力腐蝕、疲勞腐蝕和縫隙腐蝕等。
1. 晶間腐蝕
晶間腐蝕是不銹鋼在特定的腐蝕介質(zhì)中沿著鋼的晶界發(fā)生的一種局部選擇性腐蝕。如果這種腐蝕發(fā)生在金屬表面,將形成微裂紋并深入內(nèi)部,直至引起破斷。在某些特定腐蝕介質(zhì)中(如硝酸、磷酸、硫酸、乳酸、甲酸、氫氟酸和硫酸銅等),就會(huì)沿著不銹鋼的晶界發(fā)生腐蝕。在有應(yīng)力同時(shí)存在的情況下,晶間腐蝕有可能發(fā)展為晶間應(yīng)力腐蝕開裂。為避免晶間腐蝕,一般可選用超低碳((w(C)≤0.03%)奧氏體不銹鋼、雙相不銹鋼和含Ti、Nb穩(wěn)定化的奧氏體不銹鋼。
2. 點(diǎn)腐蝕
點(diǎn)腐蝕又叫孔蝕,是最常見的局部腐蝕形式之一。它是因?yàn)榻饘俦砻婺硞€(gè)局部由于微電池作用,出現(xiàn)一些腐蝕小孔,并向深處發(fā)展。在不銹鋼表面存在雜質(zhì)、污物以及缺陷部位鈍化膜損壞而生銹或在海水中使用的不銹鋼,即會(huì)出現(xiàn)點(diǎn)腐蝕(孔蝕)。
點(diǎn)腐蝕的破壞性和隱患性較大。發(fā)生點(diǎn)腐蝕時(shí),雖然金屬的失重不大,但由于陽極面積非常小,陽極上流過的腐蝕電流密度很大,造成較高的金屬溶解速度,嚴(yán)重時(shí)可使金屬設(shè)備穿孔破壞。點(diǎn)腐蝕還會(huì)使晶間腐蝕、剝蝕、應(yīng)力腐蝕開裂和腐蝕疲勞等加劇,在很多情況下是這些局部腐蝕的起源。
為防止不銹鋼發(fā)生點(diǎn)腐蝕(孔蝕),應(yīng)選擇含高鉻、鎳、鉬、氮的不銹鋼,提高不銹鋼的純度并降低不銹鋼的不均勻性。選擇鈍化和鈍化能力強(qiáng)的材料是防止不銹鋼點(diǎn)腐蝕的有力措施。
3. 縫隙腐蝕
在腐蝕介質(zhì)的作用下,不銹鋼縫隙出現(xiàn)腐蝕,即縫隙腐蝕。縫隙腐蝕一般根據(jù)縫隙形狀的不同而具有一定的外形。輕微時(shí),縫隙內(nèi)為一般腐蝕,嚴(yán)重時(shí)多為片狀點(diǎn)腐蝕或潰瘍狀。
所有能引起腐蝕的介質(zhì)都能引起縫隙腐蝕。不銹鋼表面若存在金屬和非金屬夾雜物(金屬微粒、灰塵、臟物、砂粒、海生物),或者是結(jié)構(gòu)上的原因,如螺栓聯(lián)接、鉚接、墊片與非金屬接觸等所形成的縫隙,在這些情況下不銹鋼零件若與腐蝕介質(zhì)接觸,便會(huì)發(fā)生縫隙腐蝕。特別是在氯離子的環(huán)境中,縫隙腐蝕最為常見。
不銹鋼的縫隙腐蝕主要是因?yàn)榭p隙內(nèi)的溶液酸化、缺氧而引起的鈍化膜破壞。因此防止不銹鋼縫隙腐蝕的有力措施是:選擇含高鉻、鎳、鉬、氮的不銹鋼,提高不銹鋼鈍化膜的穩(wěn)定性和鈍化、再鈍化的能力,提高不銹鋼的純度,并降低不銹鋼的不均勻性。
4. 應(yīng)力腐蝕
應(yīng)力腐蝕是不銹鋼在持久拉應(yīng)力(包括外加載荷、熱應(yīng)力及冷加工、熱加工或焊接后的殘留應(yīng)力等)和特定的腐蝕介質(zhì)的共同作用下出現(xiàn)的脆性開裂。它是不銹鋼局部腐蝕破壞中最常見、危害最大的一種腐蝕形式。
不銹鋼應(yīng)力腐蝕的特點(diǎn)是出現(xiàn)腐蝕裂縫甚至斷裂,裂縫的起源點(diǎn)往往是腐蝕小孔或腐蝕小坑的底部;裂縫擴(kuò)散有沿晶界、穿晶型和混合型三種,主裂縫通常垂直于應(yīng)力方向,多半有分枝;裂縫端部尖銳,裂縫內(nèi)壁及金屬表面的腐蝕程度通常很輕微,裂縫端部的擴(kuò)散速度很快,斷口有脆性斷裂的特征。導(dǎo)致各類不銹鋼應(yīng)力腐蝕最常見的介質(zhì)是含Cl-和氧的大氣和工業(yè)水、海水等,在超過臨界值的拉應(yīng)力(含內(nèi)應(yīng)力)和高溫共同作用的結(jié)果。
引起Cr-Ni奧氏體不銹鋼應(yīng)力腐蝕常見的介質(zhì)有:
a. 各種氯化物或含氯化物的溶液。
b. 海水、鹽水、河水、井水、水蒸氣和海洋性大氣。
c. 氫氧化物,例如NaOH、KOH的水溶液。
d. 硝酸和硝酸鹽;HNO3 +HF和HNO3+HCl+HF的酸洗液。
e. 氫氟酸、氟硅酸和含F(xiàn)-的水溶液。
f. 硫酸和亞硫酸鹽;連多硫酸;硫化氫水溶液。
表2-1列出了引起Cr-Ni奧氏體不銹鋼腐蝕的介質(zhì)和條件。
對(duì)于應(yīng)力腐蝕斷裂,通常通過正確選材可以予以控制。
a. 在高濃度氯化物中,通常選擇鎳含量高的不銹鋼、高硅Cr-N不銹鋼和鐵素體不銹鋼。
b. 在產(chǎn)生晶間氯化物應(yīng)力腐蝕的環(huán)境中,可選擇含Ti、Nb的奧氏體不銹鋼(經(jīng)穩(wěn)定化處理)、超低碳或控氮奧氏體不銹鋼。
c. 在含氯離子的水溶液中,當(dāng)在低于60℃的低濃度氯離子介質(zhì)中,無濃縮或富集可選用18-8型、18-12-2型奧氏體不銹鋼、Cr18Mo2鐵素體不銹鋼和18-5-Mo雙相不銹鋼;在低于60℃的低濃度氯離子介質(zhì)中(濃縮、富集),可選用Cr18Mo2鐵素體不銹鋼和18-5-Mo雙相不銹鋼;在低于60℃高濃度氯離子介質(zhì)中(有濃縮、富集),可選用Cr27Mo、Cr18Mo2鐵素體不銹鋼,以及w(Cr)22%~25%并含Mo的雙相不銹鋼;在60~200℃低濃度氯離子介質(zhì)中(濃縮、富集),可選用18-5型、22-5型、25-5型雙相含Mo不銹鋼和高Cr、Mo、Ni不銹鋼(Cr20Ni25Mo4.5Cu);在200~350℃低濃度氯離子(濃縮、富集)介質(zhì)中,可選用Cr20Ni32Fe鐵-鎳合金、Cr30Ni60Fe10鎳基合金。
d. 在含NaOH的水溶液中,當(dāng)w(NaOH)≤20%,無氯子,沸騰溫度≤120可選18-8或18-12-2型奧氏體不銹鋼;當(dāng)w(NaOH)=50%、w(NaCl)=2.5%在85℃的NaOH水溶液中,可選用超低碳18-8型奧氏體不銹鋼、Cr26Mo1 鐵素體不銹鋼等。
e. 雙相不銹鋼尤其適用于由點(diǎn)腐蝕(孔蝕)引起的應(yīng)力腐蝕破裂的場(chǎng)合,如022Cr21Ni5Ti、022Cr23Ni5Mo3N等具有優(yōu)良耐應(yīng)力腐蝕特性的雙相不銹鋼。
5. 疲勞腐蝕
疲勞腐蝕是不銹鋼零件在腐蝕介質(zhì)與交變應(yīng)力的共同作用下發(fā)生腐蝕進(jìn)而引起零件的破損現(xiàn)象。疲勞腐蝕的特點(diǎn)是產(chǎn)生腐蝕坑和大量裂縫,以致金屬的機(jī)械疲勞極限不復(fù)存在;裂縫多半穿晶粒,一般不分枝;裂縫端部較鈍;斷口大部為腐蝕產(chǎn)物所覆蓋,小部呈脆性裂縫破壞。
導(dǎo)致疲勞腐蝕的活性介質(zhì)有酸性介質(zhì)、氯化物、含H2S、SO2和O2的氣體以及其他能產(chǎn)生腐蝕的介質(zhì)。
為了防止疲勞腐蝕的產(chǎn)生,不銹鋼應(yīng)具備良好的耐點(diǎn)蝕性能和高強(qiáng)度,因此應(yīng)選擇含Cr、Mo較高的馬氏體不銹鋼,超級(jí)奧氏體不銹鋼,以及高鉻、鉬、氮含量的雙相不銹鋼,典型的鋼號(hào)有:015Cr20Ni18Mo6CuN、015Cr24Ni22M7CuN、022Cr25Ni6Mo2N、022Cr25NiMo4N等。
當(dāng)然在選擇不銹鋼耐蝕性的過程中,要根據(jù)實(shí)際情況,分析產(chǎn)生腐蝕的原因,并根據(jù)腐蝕特點(diǎn)進(jìn)行試驗(yàn),總結(jié)出最佳方案再選擇耐蝕性好的、經(jīng)濟(jì)上合理的、市場(chǎng)上有的不銹鋼材料。