不銹鋼的防腐

1、以不銹鋼為例，請問如何提高不銹鋼基染料敏化太陽能電池的穩(wěn)定？通常，習(xí)慣于按照金相組織把較普通的不銹鋼分成三類：奧氏體型不銹鋼(面心立方)、鐵素體型不銹鋼(體心立方)以及馬氏體型不銹鋼(體心正方或立方)。當(dāng)談到在相當(dāng)苛刻的環(huán)境中能夠耐腐蝕的材料時，普通認(rèn)為奧氏體不銹鋼的耐蝕性是優(yōu)異的。在腐蝕性較為和緩的環(huán)境中，鐵素體不銹鋼具有足夠的耐蝕性能，在輕度腐蝕性環(huán)境中，若要求材料具有高強度或高硬度則馬氏體不銹鋼和沉淀硬化不銹鋼是可適用的。概括說來，應(yīng)該認(rèn)識到，對于某些會引起局部腐蝕(如點腐蝕和纏陳腐蝕)的非?？量痰沫h(huán)境，即使是合金含量較高的奧氏體不銹鋼也可能是不耐蝕的。對于這類情況，在尋求耐腐蝕材料時，

2、可以在奧氏體型的NiCrFe(Mo、Cu、Nb)合金系列中考慮、選用。同樣，對于在高溫水、苛性堿或氣態(tài)氯環(huán)境下使用的設(shè)備，也可以考慮選用NiCrFe合金。含鎳不銹鋼(1)AISI300系列 正如表11所示，300系列不銹鋼是二十世紀(jì)七十年代美國所生產(chǎn)的各類不銹鋼中產(chǎn)量最大的一類。300系列不銹鋼的化學(xué)成分列于表21，它們的機械性能列于表22。300系列是經(jīng)典的188(Cr8一Ni 8)不銹鋼的成分改型合金，是一種廣泛應(yīng)用已達(dá)五十年之久的耐腐蝕材料。其中，為改善耐腐蝕性能而發(fā)展的較為重要的成分改型有： (a)添加鉬以改善鋼的抗點腐蝕和縫隙腐蝕能力； (b)降低含碳量或者以鈦或鈮加鉭穩(wěn)定化，以減小

3、焊接材料的品間腐蝕； (c)添加鎳和鉻，以改善鋼的抗高溫氧化能力； (d)添加鎳以改善鋼的抗應(yīng)力腐蝕性能。影響孔蝕的規(guī)律可歸納為內(nèi)因和外因兩大類：內(nèi)因是不銹耐蝕鋼的成分相組織結(jié)構(gòu)等：外因是腐蝕環(huán)境的組成和溫度等不銹耐蝕鋼產(chǎn)生孔蝕的特征為： (1)pH3的中性的弱腐蝕環(huán)境；(2)某界限濃度以上的鹵素離子(如Cl¯、Br¯等)孔蝕的活化劑例如在1N硫酸溶液中鐵的孔蝕是Cl¯0.0003克分子升便引起孔蝕。此濃度因金屬和合金的組成和表面狀態(tài)而異；(3)孔蝕發(fā)生的臨界電位，即孔蝕電位值因鹵素離子濃度和添加元素而異；(4)孔蝕發(fā)生前有孕育期(或稱誘導(dǎo)期)；(5)有氧化劑(如

4、鐵離子、汞離子，銅離子、雙氧水和溶解氧等)存在時孔蝕加速，即孔蝕與金屬離子的氧化還原電位有關(guān)；(6)在鈍化區(qū)，金屬與有害的陰離子的親合力大于氧的親合力而產(chǎn)生孔蝕；(7)孔蝕的鈍化劑有氫氧根、硝酸根、鉻酸根和硫酸根等。一般孔蝕具有成核過程的孕育期和成長過程的擴展期。22影響孔蝕的環(huán)境因素1腐蝕介質(zhì)的種類 不銹耐酸鋼的孔蝕是在特定的腐蝕介質(zhì)中發(fā)生的，特別是含Cl¯的水溶液幾乎是產(chǎn)生孔蝕的主要原因，其它鹵素離子(如Br¯和I¯)也引起孔蝕。另外也有氯酸根等介質(zhì)產(chǎn)生孔蝕的報道，可是腐蝕破壞事例很少鹵素離子的濃廢 一般認(rèn)為孔蝕只有當(dāng)鹵素離子在溶液中達(dá)到某一濃度以上時才產(chǎn)生當(dāng)

5、然這個濃度界限是因使用材料成分和狀態(tài)等的不同而異的一般采用產(chǎn)生孔蝕的最小Cl¯濃度作為評定孔蝕趨勢的一個參量。鹵素離子的濃度與孔蝕電位的關(guān)系，可以下式表示之：E ²¯=a+blogC鹵¯ 1).各種元素對不銹鋼的性能和組織的影響和作用1-1.鉻在不銹鋼中的決定作用：決定不銹鋼性屬的元素只有一種，這就是鉻，每種不銹鋼都含有一定數(shù)量的鉻。迄今為止，還沒有不含鉻的不銹鋼。鉻之所以成為決定不銹鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼中添加鉻作為合金元素以后，促使其內(nèi)部的矛盾運動向有利于抵抗腐蝕破壞的方面發(fā)展。這種變化可以從以下方面得到說明：鉻使鐵基固溶體的電極電位提高

6、鉻吸收鐵的電子使鐵鈍化鈍化是由于陽極反應(yīng)被阻止而引起金屬與合金耐腐蝕性能被提高的現(xiàn)象。構(gòu)成金屬與合金鈍化的理論很多，主要有薄膜論、吸附論及電子排列論。1-2. 碳在不銹鋼中的兩重性碳是工業(yè)用鋼的主要元素之一，鋼的性能與組織在很大程度上決定于碳在鋼中的含量及其分布的形式，在不銹鋼中碳的影響尤為顯著。碳在不銹鋼中對組織的影響主要表現(xiàn)在兩方面，一方面碳是穩(wěn)定奧氏體的元素，并且作用的程度很大（約為鎳的30 倍），另一方面由于碳和鉻的親和力很大，與鉻形成系列復(fù)雜的碳化物。所以，從強度與耐腐燭性能兩方面來看，碳在不銹鋼中的作用是互相矛盾的。認(rèn)識了這一影響的規(guī)律，我們就可以從不同的使用要求出發(fā)，選擇不同含碳

7、量的不銹鋼。例如工業(yè)中應(yīng)用最廣泛的，也是最起碼的不銹鋼0Crl34Cr13 這五個鋼號的標(biāo)準(zhǔn)含鉻量規(guī)定為1214，就是把碳要與鉻形成碳化鉻的因素考慮進(jìn)去以后才決定的，目的即在于使碳與鉻結(jié)合成碳化鉻以后，固溶體中的含鉻量不致低于11.7這一最低限度的含鉻量。就這五個鋼號來說由于含碳量不同，強度與耐腐蝕性能也是有區(qū)別的，0Cr132Crl3 鋼的耐腐蝕性較好但強度低于3Crl3 和4Cr13 鋼，多用于制造結(jié)構(gòu)零件，后兩個鋼號由于含碳較高而可獲得高的強度多用于制造彈簧、刀具等要求高強度及耐磨的零件。又如為了克服188 鉻鎳不銹鋼的晶間腐蝕，可以將鋼的含碳量降至0.03以下，或者加入比鉻和碳親和力更

8、大的元素（鈦或鈮），使之不形成碳化鉻，再如當(dāng)高硬度與耐磨性成為主要要求時，我們可以在增加鋼的含碳量的同時適當(dāng)?shù)靥岣吆t量，做到既滿足硬度與耐磨性的要求，又兼顧定的耐腐蝕功能，工業(yè)上用作軸承、量具與刃具有不銹鋼9Cr18 和9Cr17MoVCo 鋼，含碳量雖高達(dá)0.850.95，由于它們的含鉻量也相應(yīng)地提高了，所以仍保證了耐腐蝕的要求。總的來講，目前工業(yè)中獲得應(yīng)用的不銹鋼的含碳量都是比較低的，大多數(shù)不銹鋼的含碳量在0.10.4之間，耐酸鋼則以含碳0.10.2的居多。含碳量大于0.4的不銹鋼僅占鋼號總數(shù)的一小部分，這是因為在大多數(shù)使用條件下，不銹鋼總是以耐腐蝕為主要目的。此外，較低的含碳量也是出于

9、某些工藝上的要求，如易于焊接及冷變形等。1-3. 鎳在不銹鋼中的作用是在與鉻配合后才發(fā)揮出來的鎳是優(yōu)良的耐腐蝕材料，也是合金鋼的重要合金化元素。鎳在鋼中是形成奧氏體的元素，但低碳鎳鋼要獲得純奧氏體組織，含鎳量要達(dá)到24；而只有含鎳27時才使鋼在某些介質(zhì)中的耐腐蝕性能顯著改變。所以鎳不能單獨構(gòu)成不銹鋼。但是鎳與鉻同時存在于不銹鋼中時，含鎳的不銹鋼卻具有許多可貴的性能。基于上面的情況可知，鎳作為合金元素在不銹鋼中的作用，在于它使高鉻鋼的組織發(fā)生變化，從而使不銹鋼的耐腐蝕性能及工藝性能獲得某些改善。1-4. 錳和氮可以代替鉻鎳不銹鋼中鎳鉻鎳奧氏體鋼的優(yōu)點雖然很多，但近幾十年來由于鎳基耐熱合金與含鎳2

10、0以下的熱強鋼的大量發(fā)展與應(yīng)用，以及化學(xué)工業(yè)日益發(fā)展對不銹鋼的需要量越來越大，而鎳的礦藏量較少且又集中分布在少數(shù)地區(qū)，因此在世界范圍內(nèi)出現(xiàn)了鎳在供和需方面的矛盾。所以在不銹鋼與許多其他合金領(lǐng)域（如大型鑄鍛件用鋼、工具鋼、熱強鋼等）中，特別是鎳 的資源比較缺乏的國家，廣泛地開展了節(jié)鎳和以其他元素代鎳的科學(xué)研究與生產(chǎn)實踐，在這方面研究和應(yīng)用比較多的是以錳和氮來代替不銹鋼與耐熱鋼中的鎳。錳對于奧氏體的作用與鎳相似。但說得確切一些，錳的作用不在于形成奧氏體，而是在于它降低鋼的臨界淬火速度，在冷卻時增加奧氏體的穩(wěn)定性，抑制奧氏體的分解，使高溫下形成的奧氏體得以保持到常溫。在提高鋼的耐腐蝕性能方面，錳的作

11、用不大，如鋼中的 含錳量從0 到10.4%變化，也不使鋼在空氣與酸中的耐腐蝕性能發(fā)生明顯的改變。這是因為錳對提高鐵基固溶體的電極電位的作用不大，形成的氧化膜的防護(hù)作用也很低，所以工業(yè)上雖有以錳合金化的奧氏體鋼（如40Mn18Cr4,50Mn18Cr4WN、ZGMn13 鋼等），但它們不能作為不銹鋼使用。錳在鋼中穩(wěn)定奧氏體的作用約為鎳的二分之一，即2的氮在鋼中的作用也是穩(wěn)定奧氏體，并且作用的程度比鎳還要大。例如，欲使含18鉻的鋼在常溫下獲得奧氏體組織，以錳和氮代鎳的低鎳不銹鋼與元鎳的鉻錳氮不誘鋼，目前已在工業(yè)中獲得應(yīng)用，有的已成功地代替了經(jīng)典的18-8 鉻鎳不銹鋼。1-5.不銹鋼中加鈦或鈮是為了

12、防止晶間腐蝕。1-6.鉬和銅可以提高某些不銹鋼的耐腐蝕性能。1-7.其他元素對不銹鋼的性能和組織的影響以上主要的九種元素對不銹鋼的性能和組織的影響，除這些元素對不銹鋼性能與組織影響較大的元素以外，不銹鋼中還含有一些其他的元素。有的是和一般鋼一樣為常存雜質(zhì)元素，如硅、硫、磷等.也有的是為了某些特定的目的而加入的，如鈷、硼、硒、稀土元素等。從不銹鋼的耐腐蝕性能這一主要性質(zhì)來說，這些元素相對于已討論的九種元素，都是非主要方面的，雖然如此，但也不能完全忽略，因為它們對不銹鋼的性能與組織同樣也發(fā)生影響。因為它們對不銹鋼的性能與組織同樣也發(fā)生影響。硅是形成鐵素體的元素，在一般不銹鋼中為常存雜質(zhì)元素。鈷作為

13、合金元素在鋼中應(yīng)用不多，這是因為鈷的價格高及其在其它方面（如高速鋼、硬質(zhì)合金、鈷基耐熱合金、磁鋼或硬磁合金等）有著更重要的用途。在一般不銹鋼中加鈷作合金元素的也不多，常用不銹鋼如9Crl7MoVCo 鋼（含鈷）加鈷，目的并不在于提高耐腐蝕性能而在于提高硬度，因為這種不銹鋼的主要用途是制造切片機械刃具、剪刀及手術(shù)刀片等。硼：高鉻鐵素體不銹鋼Crl7Mo2Ti 鋼中加0.005硼，可使在沸騰的65醋酸中的耐腐蝕性能提高。加微量的硼（0.00060.0007）可使奧氏體不銹鋼的熱態(tài)塑性改善。少量的硼由于形成低熔點共晶體，使奧氏體鋼焊接時產(chǎn)生熱裂紋的傾向增大，但含有較多的硼（0.50.6）時，反而可防

14、止熱裂紋的產(chǎn)生。因為當(dāng)含有0.50.6的硼時，形成奧氏體硼化物兩相組織，使焊縫的熔點降低。熔池的凝固溫度低于半溶化區(qū)時，母材在冷卻時產(chǎn)生的張應(yīng)力，由處于液態(tài).固態(tài)的焊縫金屬承受，此時是不致引起裂縫的，即使在近縫區(qū)形成了裂紋，也可以為處于液態(tài)固態(tài)的熔池金屬所填充。含硼的鉻鎳奧氏體不銹鋼在原子能工業(yè)中有著特殊的用途。不銹鋼為什么也生銹?不銹鋼具有抵抗大氣氧化的能力-即不銹性，同時也具有在含酸、堿、鹽的介質(zhì)中乃腐蝕的能力-即耐蝕性。但其抗腐蝕能力的大小是 隨其鋼質(zhì)本身化學(xué)組成、加互狀態(tài)、使用條件及環(huán)境介質(zhì)類型而改變的。 如304 鋼管，在干燥清潔的大氣中，有絕對優(yōu)良的抗銹蝕能力，但將它移到海濱地區(qū)，

15、在含有大量鹽份的海霧中，很快就會生銹了；而316 鋼管則表現(xiàn)良好。因此，不是任何一種不銹鋼，在任何環(huán)境下都能耐腐蝕, 不生銹的。不銹鋼是靠其表面形成的一層極薄而堅固細(xì)密的穩(wěn)定的富鉻氧化膜（防護(hù)膜），防止氧原子的繼續(xù)滲入、繼續(xù)氧化，而獲得抗銹蝕的能力。一旦有某種原因，這種薄膜遭到了不斷地破壞，空氣或液體中氧原 子就會不斷滲入或金屬中鐵原子不斷地析離出來，形成疏松的氧化鐵，金 屬表面也就受到不斷地銹蝕。這種表面膜受到破壞的形式很多，日常生 活中多見的有如下幾種：1.不銹鋼表面存積著含有其他金屬元素的粉塵或異類金屬顆粒的附 著物，在潮濕的空氣中，附著物與不銹鋼間的冷凝水，將二者連成一個 微電池，引發(fā)了電化學(xué)反應(yīng)，保護(hù)膜受到破壞，稱之謂電化學(xué)腐蝕。2.不銹鋼表面粘附有機物汁液（如瓜菜、面湯、痰等），在有水氧 情況下，構(gòu)成有機酸，長時間則有機酸對金屬表面的腐蝕。3.不銹鋼表面粘附含有酸、堿、鹽類物質(zhì)（如裝修墻壁的堿水、石 灰水噴濺），引起局部腐蝕。4.在有