新型高氮低鎳奧氏體不銹鋼的點蝕性能
浙江至德鋼業(yè)有限公司設(shè)計制備了新型高氮低鎳奧氏體不銹鋼(高氮鋼),采用陽極動電位極化法測量了此鋼在不同濃度和不同pH值的氯化鈉溶液中的點蝕電位,獲得了點蝕電位隨溶液濃度及pH值變化的關(guān)系曲線,并與800H鎳合金鋼進(jìn)行了對比。用掃描電鏡(SEM)對樣品表面進(jìn)行了形貌觀察,對點腐蝕坑處進(jìn)行了線掃描,分析了高氮鋼耐點蝕的機(jī)理。研究表明,在不同濃度和pH值的氯化鈉溶液中,高氮鋼的點蝕電位達(dá)到1.2V以上,800H鋼的點蝕電位在0.3V以下。掃描圖顯示腐蝕區(qū)域內(nèi),高氮鋼的點蝕坑稀少且面積較小,800H鋼的點蝕坑密集且面積較大。線掃描表明氮在腐蝕坑內(nèi)的含量略有下降;氮在鈍化膜/金屬界面富集,形成NH+4,并且抑制侵蝕性氯離子的吸附是提高高氮鋼耐蝕性的原因。
傳統(tǒng)奧氏體不銹鋼中主要的合金元素為鉻、鎳,其中鎳可形成并穩(wěn)定奧氏體組織,它和鉻等元素的聯(lián)合作用使奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能與力學(xué)性能,獲得了廣泛的應(yīng)用。但鎳作為貴金屬元素價格居高不下,其產(chǎn)品不利于市場競爭,同時鎳元素對人身體存在危害,也限制了此類合金在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。氮具有強(qiáng)烈穩(wěn)定奧氏體作用,并且能提高合金的強(qiáng)度、耐腐蝕性。隨著加壓冶煉技術(shù)的提高,用氮、錳來降低甚至取代鎳可生產(chǎn)成本低廉,而且耐蝕性能優(yōu)良的含氮奧氏體不銹鋼,已成為新材料研發(fā)方向之一,含氮尤其是高氮奧氏體不銹鋼將在生態(tài)環(huán)境、石油化工、燃料電池、軍事工業(yè)、交通運(yùn)輸、建筑等領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用。在含氮奧氏體鋼的應(yīng)用領(lǐng)域中,許多都要求合金具有良好的耐蝕性能。耐蝕性對于合金是一個重要的性能,我國每年因腐蝕損失超過1.5萬億元,耐蝕性能的提高不僅可以節(jié)約資源,而且提高經(jīng)濟(jì)效益。開發(fā)價廉而力學(xué)性能與耐蝕性優(yōu)良的奧氏體不銹鋼具有重要的工程應(yīng)用價值。
浙江至德鋼業(yè)有限公司以氮、錳部分取代鎳,設(shè)計并制備了一種新型的高氮低鎳奧氏體不銹鋼,以下簡稱高氮鋼(HN鋼),采用動電位極化曲線掃描方法研究了此鋼在不同濃度和不同pH值的氯化鈉溶液中的點蝕電位,測試了點蝕坑內(nèi)外元素的變化,并與含鎳量達(dá)30%的800H工業(yè)用鋼進(jìn)行了對比,分析其耐蝕性能與耐蝕機(jī)理。
1. 試驗材料的設(shè)計及制備
根據(jù)合金元素對奧氏體穩(wěn)定性的影響,結(jié)合鉻當(dāng)量、鎳當(dāng)量計算公式與高溫鐵素體形成溫度(Tδ)以及奧氏體低溫轉(zhuǎn)變溫度Ms(單位:K),設(shè)計了一種高氮低鎳奧氏體不銹鋼,委托國內(nèi)某單位冶煉,冶煉后的成分與設(shè)定成分接近,經(jīng)計算,冶煉鋼的Tδ=1224℃,Ms=0K,經(jīng)測試,此鋼在1200℃至-196℃均為單一奧氏體組織。其化學(xué)成分如表所示。
2. 試驗方法
高氮鋼經(jīng)1100℃固溶處理1小時后水冷,然后將其與800H鋼一起線切割成10mm×10mm×10mm的試樣,試樣打磨到1000號砂紙,工作面積為1平方厘米,其余面用環(huán)氧樹脂封涂,并用銅導(dǎo)線引出,做成電極。
點蝕電化學(xué)腐蝕采用陽極動電位極化法,將高氮鋼和800H鋼在不同濃度以及不同pH值的氯化鈉溶液中分別進(jìn)行電化學(xué)腐蝕試驗,氯化鈉為分析純試劑。用250mL容量瓶精確滴定配置,溶液質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為3.5%、10%、15%和20%,不同pH值的氯化鈉標(biāo)準(zhǔn)溶液以3.5%的氯化鈉溶液為基液(pH=5.24),向其中加入鹽酸與氫氧化鈉調(diào)節(jié)出不同pH值(pH=1、3、5.24(基液)、7、9)的氯化鈉溶液。電化學(xué)試驗設(shè)備為上海辰華儀器有限公司生產(chǎn)的CHI750電化學(xué)工作站,試驗采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系:輔助電極采用金屬鉑電極,參比電極體系由飽和甘汞電極和鹽橋組成。使用熱場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察點腐蝕坑的形貌,并對點腐蝕坑進(jìn)行線掃描。
3. 試驗結(jié)果與討論
圖為高氮鋼與800H鋼在不同濃度NaCl溶液中的陽極極化曲線圖及點蝕電位對比圖。圖中高氮鋼的點蝕電位在1.1~1.3V之間,圖中800H鋼的點蝕電位在0.1~0.4V之間,兩者都隨著濃度的提高,點蝕電位下降;圖為高氮鋼與800H鋼的點腐蝕電位對比圖,高氮鋼的點蝕電位平均在1.25V左右,而800H鋼的點蝕電位約在0.3V,遠(yuǎn)低于高氮鋼;且800H鋼電位的下降趨勢高于高氮鋼。氯化鈉溶液濃度的增加使得高氮鋼和800H鋼的點蝕電位均有所下降,合金點蝕電位的降低將會降低耐蝕性能。金屬表面鈍化膜處于溶解與修復(fù)的動態(tài)平衡,氯離子容易吸附在鈍化膜上,把氧原子擠掉,然后和鈍化膜中的陽離子結(jié)合形成可溶性氯化物,這些氯化物容易水解,使小坑內(nèi)溶液pH值下降,使溶液成酸性,溶解了一部分氧化膜,造成多余的金屬離子,為了平衡腐蝕坑內(nèi)的電中性,外部的氯離子不斷向坑內(nèi)遷移,使坑內(nèi)金屬又進(jìn)一步水解。如此循環(huán),奧氏體不銹鋼不斷地腐蝕,形成點蝕。隨著溶液中氯離子的增加,將有利于氯的遷移,從而加速了金屬氯化物的形成,加速了點腐蝕的發(fā)生。圖為高氮鋼與800H鋼在不同pH值的氯化鈉溶液中的陽極極化曲線及電位對比圖。圖中高氮鋼的點腐蝕電位在1.2~1.4V之間,隨著pH值的增大,點蝕電位升高。圖中800H鋼的點蝕電位在不同pH值的氯化鈉溶液中位于0.2~0.4V之間,隨著溶液pH值的提高,點蝕電位先增大后減小。圖為高氮鋼與800H鋼的點腐蝕電位對比圖,高氮鋼的點蝕電位平均在1.3V左右,而800H鋼的點蝕電位在0.25V左右。以上分析表明,高氮鋼在不同濃度和不同pH值的氯化鈉溶液中電極電位均大大高于800H鋼,因此在含氯離子的介質(zhì)中高氮鋼具有良好的耐點蝕性能。
圖為高氮鋼和800H鋼在20%溶液濃度試驗下的點腐蝕形貌。圖中高氮鋼的點蝕坑稀少不密集,覆蓋面積也很??;而圖中800H鋼出現(xiàn)了大量的點蝕坑,點蝕坑很大并且很密集,并且呈現(xiàn)弧形向外擴(kuò)散。圖為高氮鋼與800H鋼的線掃描圖,線掃描顯示800H鋼蝕坑內(nèi)外的元素并無多大變化,高氮鋼點蝕坑內(nèi)表面氮元素含量下降。這種現(xiàn)象表明高氮鋼腐蝕坑內(nèi)的氮發(fā)生了反應(yīng),降低了其坑內(nèi)含量。氯化鈉溶液中的氯離子和鈍化膜中的陽離子結(jié)合形成可溶性氯化物,破壞了鈍化膜,氯化物水解后使小坑內(nèi)溶液pH值下降,溶液成酸性。在合金鈍化過程中,氮以Nδ-的形態(tài)在合金表面和鈍化膜之間聚集,一部分穿過鈍化膜與溶液中的H+形成NH4+,消耗了H+,從而抑制了小孔內(nèi)溶液pH值的降低,推遲了鈍化膜的破壞,因此,在線掃描圖中就顯示出氮含量的下降;另一部分通過抑制侵蝕性氯離子的吸附,阻礙了侵蝕性陰離子的侵蝕,抑制了點蝕的發(fā)生。同時合金中存在鉬元素,鉬元素的添加與氮有協(xié)同作用,可進(jìn)一步提高高氮鋼的耐點腐蝕性能。圖為高氮鋼與800H鋼在不同pH值的氯化鈉溶液中電化學(xué)試驗下的腐蝕形貌。結(jié)果顯示,在低pH值下,高氮鋼表面點蝕坑少而淺,形狀不規(guī)則,坑內(nèi)比較粗糙;800H鋼腐蝕坑大,表面呈蜂窩狀,坑內(nèi)較深。在較高pH值溶液中,高氮鋼腐蝕坑更為稀少且面積小,但坑內(nèi)粗糙程度較低pH值條件下要大;800H鋼點蝕坑多且深,呈疊層蜂窩狀,坑內(nèi)粗糙不平。兩種鋼在較高pH值溶液中要比在低pH值溶液中腐蝕面積小,但蝕坑稍深。
采用陽極動電位極化法得出高氮奧氏體不銹鋼與800H鋼的極化曲線圖,高氮鋼的點蝕電位在1.2V左右,800H鋼的點蝕電位在0.3V左右。高氮鋼表面點蝕坑少而淺,形狀不規(guī)則,坑內(nèi)比較粗糙;800H鋼腐蝕坑大,表面呈蜂窩狀?;钚缘阝g化膜/金屬界面富集,形成NH+4,并且抑制侵蝕性氯離子的吸附,提高抗點蝕性能。
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