304奥氏体薄壁不锈钢管电化学腐蚀原因分析_轴承电腐蚀原因

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不锈钢是一种金属材料，广泛应用于石油、化工、化肥、食品、国防、餐具、合成纤维和石油炼制等工业行业，许多容器、管道、阀门、泵等一般由于对各种腐蚀 因接触性介质腐蚀而报废。据统计，全世界每年因仪器腐蚀报废的钢材约占钢材年产量的1/4。不锈钢产量占钢材总产量的1%。因此，材料因腐蚀而失效是当今材料研发的三大难题之一。

不锈钢是指一种具有耐腐蚀性的钢材。不锈钢一般称为不锈钢和耐酸钢。不锈钢不一定是耐酸的，但耐酸钢也是不锈钢。

所谓不锈钢是指能抵抗大气和弱腐蚀性介质腐蚀的钢材。腐蚀速率<0.01mm/年为完全耐腐蚀钢，腐蚀速率<0.1mm/年为耐腐蚀钢。所谓耐酸钢，是指能在各种强腐蚀介质中耐酸的钢。腐蚀速率<0.1mm/年为完全耐腐蚀，腐蚀速率<1mm/年为耐腐蚀。所以。不锈钢不是不腐蚀的，只是腐蚀速度比较慢，没有绝对不腐蚀的钢。

尤其是在同一媒体中。不同种类不锈钢的腐蚀速率差别很大，同一种不锈钢在不同介质中的腐蚀行为也差别很大。例如。 Ni-Cr不锈钢在氧化性介质中具有良好的耐腐蚀性。但在非氧化性介质（如盐酸）中的耐腐蚀性不好。因此，掌握各类不锈钢的特性对于正确选择和使用不锈钢非常重要。

不锈钢不仅要耐腐蚀，还要承受或传递载荷，因此还需要具有良好的机械性能。不锈钢一般加工成板、管等型材的构件或零件。具有良好的机械加工性和良好的焊接性能。

不锈钢分为：铁素体（F）型不锈钢；马氏体（M）型不锈钢；奥氏体（A）型不锈钢；奥氏体-铁素体（A-F）双相不锈钢；沉淀硬化不锈钢。

一、金属腐蚀

(一）金属腐蚀过程

金属在外界介质的作用下逐渐损坏的现象称为腐蚀。腐蚀基本上有两种形式。化学腐蚀和电化学腐蚀。实际生产中遇到的腐蚀主要是电化学腐蚀，化学腐蚀不产生电流，腐蚀过程中会形成一些腐蚀产物。这种腐蚀产物一般会覆盖在金属表面形成一层薄膜，将金属与介质隔离开来。

如果这层化学产品稳定、致密、完整并与金属表面结合牢固，将大大减少甚至阻止腐蚀的进一步发展，保护金属。形成保护膜的过程称为钝化。例如，形成SiO2、Al2O3、Cr2O3等氧化膜。这些氧化膜致密、完整、无孔、无裂纹、不易剥落，可以保护母材，避免继续氧化。例如，铁在高温下氧化形成Fe2O3。相反，一些氧化膜是不连续的或多孔的。对贱金属无保护。例如。一些金属氧化物，如Mo2O3、WO3，在高温下易挥发，完全没有覆盖基材的保护作用。

由此可见，氧化膜的产生以及氧化膜的结构和性能是化学腐蚀的重要特征。因此，提高金属的耐化学腐蚀性能，主要是通过合金化或其他方法，在金属表面形成一层稳定、完整、致密、与基体牢固结合的氧化膜，又称钝化膜、电化学腐蚀。它是由不同金属或金属的不同电极电位组成的原电池产生的一种较为重要和常见的金属腐蚀形式。

这种电偶腐蚀是在微结构之间产生的，所以也称为微电池腐蚀。电化学腐蚀的特点是存在电介质，不同金属、金属微域或相之间存在电位差连接或接触，同时产生腐蚀电流。

二、腐蚀类型

金属材料在工业生产中的腐蚀失效形式多种多样。在不同载荷和不同介质环境的作用下，不同材料的腐蚀形式主要分为以下几类：

全面腐蚀：裸露的金属表面发生大面积相对均匀的腐蚀。虽然减少了部件的有效面积和使用寿命，但比局部腐蚀危害小。

晶间腐蚀：是指沿产品边界的腐蚀，破坏了晶粒间的连接。这种腐蚀是最有害的，它会使金属变脆或失去强度，敲击时失去金属声音，容易造成突发事故。晶间腐蚀是奥氏体不锈钢的主要腐蚀形式。

应力腐蚀：金属在腐蚀介质和拉应力（外应力或内应力）共同作用下产生裂纹。断裂方式以沿晶为主，也有穿晶，属于危险的低应力脆性断裂。应力腐蚀常发生在含氯介质和碱性氧化物或其他水溶性介质中，是设备事故多发的原因。相当大的比例。

点蚀：点蚀是发生在金属表面局部区域的一种腐蚀损伤形式。点蚀形成后，可迅速向深处发展，最终穿透金属。点蚀是非常有害的，尤其是对各种容器。点蚀发生后，应及时打磨或涂漆，以免进一步腐蚀。

点蚀的原因是金属表面的钝化膜在介质的作用下被局部破坏。或在含有氯离子的介质中，材料表面缺陷较疏松，非金属夹杂物可引起点蚀。

腐蚀疲劳：金属在腐蚀介质和交变应力作用下的破坏，其特点是产生腐蚀坑和大量裂纹。显着降低钢的疲劳强度，导致过早断裂。腐蚀疲劳不同于机械疲劳，它没有一定的疲劳极限，随着循环次数的增加，疲劳强度一直在下降。

除了上述各种形式的腐蚀外，还有宏观细胞作用引起的腐蚀。例如，金属构件中不同的铆钉和铆接材料，异种金属的焊接，船体和螺旋桨的不同材料，都是由于电极电位不同而引起的腐蚀。

从以上腐蚀机理可以看出，防止腐蚀的重点应该是：尽可能减少原电池的数量，从而形成与钢基体牢固结合的稳定完整的钝化膜??在钢材表面形成；在形成原电池的情况下，应尽可能减小两个电极之间的电极电位差。

三、不锈钢的合金化原理

提高钢材的耐腐蚀性能有很多方法，如在表面涂一层耐腐蚀金属、涂非金属层、电化学保护和改变腐蚀环境介质等。但是，采用合金化方法提高材料本身的耐腐蚀性能，是防止腐蚀破坏的最有效措施之一。方法如下：

(1）添加合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的电化学耐腐蚀性能。一般在钢中加入Cr、Ni、Si多元素可以提高电极电位。由于Ni大量Si的加入会使钢变脆。因此，只有Cr是常用的元素，可以显着提高钢基体的电极电位。

Cr可以提高钢的电极电位，但不是线性关系。实验表明，随着合金元素的增加，钢的电极电位呈现由量变到质变的关系，遵循1/8规律。

当Cr含量达到一定值，即1/8原子（l/8、2/8、3/8…）时，电极电位会发生突变因此，几乎所有不锈钢中，Cr含量都在12.%（原子）以上304奥氏体薄壁不锈钢管电化学腐蚀原因分析，即11.7%（质量）以上。

(2）添加合金元素使钢表面形成稳定完整的净化膜，与钢基体牢固结合，从而提高钢的耐化学腐蚀性能。例如，添加Cr对钢、Si、Al等合金元素可在钢表面形成致密的Cr2O3、SiO2、Al2O3等氧化膜，提高钢的耐腐蚀性能。

(3）添加合金元素使钢在室温下以单相状态存在，减少了微孔的数量，提高了钢的耐蚀性。例如304奥氏体薄壁不锈钢管电化学腐蚀原因分析，加入足量的Cr或Cr-Ni可使钢在室温下获得单相铁素体或单相奥氏体。

(4）添加Mo、Cu等元素提高耐腐蚀性。

(5）添加Ti、Nb等元素，消除Cr的晶间偏析，从而降低晶间腐蚀倾向。

(6）添加Mn、N等元素替代部分Ni，获得单相奥氏体组织，同时可以大大提高铬不锈钢在有机酸中的耐腐蚀性能。

四、不锈钢的种类及特点

不锈钢有两种分类方法：一种按合金元素的特性分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；

另一种是根据钢结构的正火状态，分为M不锈钢、F不锈钢、A不锈钢、A-F双相不锈钢。

一、马氏体不锈钢

典型的马氏体不锈钢有1Cr13-4Cr13和9Cr18等。马氏体不锈钢常用于压力管道工程中碳钢阀门的阀芯。

1Cr13钢具有良好的加工性能。无需预热即可进行深拉、弯曲、卷边和焊接。 2Crl3冷变形前不需要预热，但焊前需要预热。 1Crl3、2Cr13主要用于制作汽轮机叶片等耐腐蚀结构件，而3Cr13、4Cr13主要用于制作医疗器械手术刀和耐磨件； 9Crl8可用作耐腐蚀轴承和刀具。

二、铁素体不锈钢

铁素体不锈钢的Cr含量一般为13%～30%，碳含量低于0.25%。有时会添加其他合金元素。金相组织主要为铁素体，加热和冷却时没有αγ相变，因此不能通过热处理强化。强抗氧化剂。同时还具有良好的热加工性和一定的冷加工性。铁素体不锈钢在压力管道工程中使用较少。

典型的铁素体不锈钢有Crl7型、Cr25型和Cr28型。

三、奥氏体不锈钢

奥氏体不锈钢是为克服马氏体不锈钢耐蚀性不足和脆性过大而研制的。基本成分为Crl8%和Ni8%，简称18-8钢。其特点是结合碳含量小于0.1%，由Cr和Ni结合得到单相奥氏体组织。奥氏体不锈钢（300系列）在压力管道工程中很常见，这里不再赘述。

奥氏体不锈钢一般用于制造硝酸、硫酸等化工设备部件，制冷行业的低温设备部件，变形强化后可用作不锈钢弹簧和发条弹簧。

奥氏体不锈钢具有良好的耐均匀腐蚀能力，但在耐局部腐蚀方面仍存在以下问题：

1.奥氏体不锈钢的晶间腐蚀

奥氏体不锈钢在450～850℃或缓慢冷却时会发生晶间腐蚀。

含碳量越高，晶间腐蚀倾向越大。此外，焊件的热影响区也会发生晶间腐蚀。这是由于在晶界上析出富铬。这是由于在周围基体中形成了贫铬区，从而形成了腐蚀原电池。这种晶间腐蚀现象也存在于上述铁素体不锈钢中。

工程中防止晶间腐蚀常采用以下方法：

(1）降低钢中的碳含量，使钢中的结合碳含量低于平衡状态下奥氏体中的饱和溶解度，即从根本上解决了铬的问题碳化物()在晶界析出的问题。通常可以将钢中的结合碳含量降低到0.03%以下，以满足抗晶间腐蚀性能的要求。

(2）奥氏体不锈钢的晶间腐蚀可以通过添加Ti、Nb等能形成稳定碳化物（TiC或NbC）的元素避免晶界析出来防止。

(3）通过调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成元素的比例，使其具有奥氏体+铁素体的双相组织，其中铁素体占5%～12%。这种双相结构不易产生晶间腐蚀。

(4）适当的热处理工艺可以防止晶间腐蚀，获得最佳的耐蚀性。

2.奥氏体不锈钢的应力腐蚀

由应力（主要是拉应力）和腐蚀共同作用引起的开裂称为应力腐蚀开裂，简称SCC。奥氏体不锈钢在含有氯离子的腐蚀性介质中容易发生应力腐蚀。当Ni含量达到8%～10%时，奥氏体不锈钢的应力腐蚀倾向最大。继续将Ni含量提高到45-50%。应力腐蚀趋势逐渐减小直至消失。

防止奥氏体不锈钢应力腐蚀最重要的方法是在冶炼时添加Si2～4%，控制N含量在0.04%以下。此外，应尽量减少P、Sb、Bi、As等杂质的含量。另外可选择A-F双相钢，在Cl-和OH-介质中对应力腐蚀不敏感。当初始微裂纹遇到铁素体相时，不会继续扩大，铁素体含量应在6%左右。

3.奥氏体不锈钢的变形强化

单相奥氏体不锈钢具有良好的冷变形性能，可以冷拉成很细的钢丝，也可以冷轧成很细的钢带或钢管。经过大量变形后，钢材的强度大大提高，特别是在零下温度区轧制时，效果更为显着。抗拉强度可以达到以上。这是因为除了冷作硬化效应外，还叠加了变形引起的M相变。

奥氏体不锈钢经变形强化后可用于制造不锈钢弹簧、钟表弹簧、航空结构中的钢丝绳等。如果变形后需要焊接，只能采用点焊工艺，变形增加了应力腐蚀的趋势。并且由于一些γ->M变换而产生铁磁性，使用时应考虑到（例如在仪器零件中）。

再结晶温度随变形量而变化。当变形量为60%时，再结晶温度降至650℃。冷变形奥氏体不锈钢的再结晶退火温度为850～1050℃，需要在850℃保持3h。 , 1050℃可烧透，再水冷。

4.奥氏体不锈钢的热处理

奥氏体不锈钢常用的热处理工艺包括：固溶处理、稳定化处理和去应力处理。

(1）固溶处理。钢加热到1050～1150℃，然后用水淬火。主要目的是使奥氏体中的碳化物溶解并在室温下保持这种状态，使钢的耐腐蚀性能会大大提高。

如前所述，为了防止晶间腐蚀，通常采用固溶处理使奥氏体溶解，然后快速冷却。对于薄壁零件，可采用风冷，一般采用水冷。

(2）稳定化处理。一般在固溶处理后进行。常用于含Ti和Nb的18-8钢。此时Cr的碳化物完全溶解，但钛的碳化物不完全溶解，在冷却过程中完全析出，使碳不可能形成铬的碳化物，从而有效地消除了晶间腐蚀。

(3）去应力处理。去应力处理是消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺。一般加热到300～350℃回火。对于钢不含稳定元素Ti、Nb的钢，加热温度不宜超过450℃，以免因碳化铬析出引起晶间腐蚀。加热至500～950℃，然后缓冷，消除应力（释放焊接应力，取上限温度），可降低晶间腐蚀倾向，提高钢的抗应力腐蚀性能。

四、奥氏体-铁素体双相不锈钢

在奥氏体不锈钢的基础上，适当增加Cr含量，降低Ni含量，配合回流处理，获得奥氏体和铁素体双相组织（含40-60%δ-铁素体）不锈钢双相不锈钢具有良好的焊接性，焊后无需热处理，不易发生晶间腐蚀和应力腐蚀。但因Cr含量高，易形成σ相，使用时应注意。双相不锈钢广泛用于煤化工装置的高温、高压、大流量氧气管道，以及炼油加氢装置高压空冷前后的反应产物管道。

五、沉淀硬化不锈钢

沉淀硬化不锈钢（钢）是指根据不锈钢的化学成分添加不同种类和数量的强化元素，通过沉淀析出不同种类和数量的碳化物、氮化物、碳氮化物和金属间化合物硬化过程。 ，一种既能提高钢的强度又能保持足够韧性的高强度不锈钢，简称PH钢。沉淀硬化不锈钢按其基体的金相组织可分为马氏体、半奥氏体和奥氏体三种。压力管道工程中常用的是17-4PH，用于阀芯或高强度螺栓。