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    不銹鋼材料

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    合金元素含量對316不銹鋼耐點蝕性能影響

    來源:至德鋼業 日期:2019-10-13 02:45:40 人氣:543

    點腐蝕是奧氏體不銹鋼的常見局部腐蝕形式,會嚴重影響奧氏體不銹鋼的性能和使用。選取4組不同化學成分的316不銹鋼板試樣,10%三氯化鐵溶液中進行點腐蝕試驗。檢測了點蝕坑的宏觀形貌和腐蝕速率,通過SEMEDS檢測了腐蝕坑微觀形貌以及點蝕坑鄰近區域的合金元素分布,分析了主要合金元素對316不銹鋼耐點蝕當量的影響規律。結果表明:Cr元素對316不銹鋼在氯離子介質中的耐點蝕性能有著顯著的有利影響,Mo元素含量的增加可以提高316不銹鋼的耐點蝕性能,Mn元素會降低316不銹鋼在氯離子介質中的耐點蝕性能。根據試驗結果,提出了考慮Mn元素不利影響的修正耐點蝕當量PRE計算公式。

    奧氏體不銹鋼的高耐腐蝕性主要歸功于其表面形成的鈍化膜,即鈍化膜理論。該鈍化膜主要成分為鐵與氧化鉻的混合物。鈍化膜覆蓋在不銹鋼表面從而隔絕了奧氏體不銹鋼與腐蝕環境的接觸,使得不銹鋼基體的腐蝕受阻[1-3]。然而這種由于鈍化膜的存在而產生的耐腐蝕性很大程度上取決于不銹鋼基體所接觸的環境條件與基體所含成分[4,5]。眾所周知,合金元素Cr對奧氏體不銹鋼在氯離子腐蝕環境中的耐點蝕性能有明顯的改善效果。Cr作為不銹鋼鈍化膜的重要構成元素,其含量的增加會提高不銹鋼的耐腐蝕性能。Mo作為不銹鋼中的主要合金元素之一,其對氯離子腐蝕環境下耐點蝕性能的有利影響已有諸多詳細研究[6]。Ameer[7]研究發現Mo元素會通過生成鉬酸鹽的形式改變鈍化膜的極性。Tobler[8]Clayton[9]等研究表面MoOn-的存在改變了陰離子與陽離子的選擇性,導致了O2-的遷移并形成了Cr2O3,從而使得鈍化膜更為穩定,Cl-難以滲入形成開裂。Wegrelius[10]研究表明不銹鋼中的Mo元素會減少晶核與亞穩態點蝕坑的數量和尺寸,增加形成穩定腐蝕孔的可能性。此外,Wegrelius[11]同時發現不銹鋼中Mo元素會生成Mo的氯化物和MoO2-4,從而促進再鈍化過程。Sugimoto[12]認為MoO2-4在點蝕孔的吸附會抑制點蝕源的早期發展。而另一種合金元素Mn的存在會導致不銹鋼中生成MnS夾雜相。MnS作為點蝕開裂源,會導致不銹鋼的耐點蝕性能下降。Stewart[13]通過研究發現這些夾雜相會影響亞穩態點蝕孔的壽命,而影響程度與夾雜相的尺寸大小有密切關系。Webb[14]也指出夾雜相的形狀、成分和分布也會對亞穩態點蝕孔的壽命產生影響。為了定量評價不銹鋼耐點蝕性能與化學成分之間的關系,研究人員提出了一些不銹鋼合金成分與其耐腐蝕性間聯系的經驗公式。其中,耐點蝕當量PRE(Pittingresistanceequivalent)是目前較為常用的用于定量判斷不銹鋼耐腐蝕性能的當量之一。然而目前耐點蝕當量PRE的計算公式往往只涉及最主要的Cr,Mo,N等元素的含量,其他諸如Mn元素的影響并未納入計算公式[15],因此在工程中耐點蝕當量的應用會受到一定的限制。筆者選取4316不銹鋼板材試樣,在三氯化鐵溶液中進行點腐蝕試驗。通過OM,SEMEDS等檢測方式分析了316不銹鋼主要合金元素Cr,Ni,Mn,Mo對其耐點蝕性能的影響,并以此提出對點蝕當量PRE計算公式的修改建議。

    1試驗材料和試驗方法

    1.1試驗材料

    試樣材料選自4組不同化學成分的316不銹鋼板材,試樣的合金元素質量分數見表1。

    1.2試驗方法

    4組奧氏體不銹鋼板材加工成尺寸為30mm×20mm×2mm的試樣。試樣表面經過機械打磨,然后手工拋光至表面粗糙度Ra1.6以上,如圖1所示,最后將試樣放在丙酮中清洗、烘干備用。參照GB/T178972016《不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》標準,進行三氯化鐵點腐蝕試驗。實驗前將試樣進行清洗、干燥處理,TG328A光學讀數分析天平稱重,精確到1mg。配制質量分數10%的三氯化鐵試驗溶液,要求每平方厘米試樣表面積所需的試驗溶液控制在20mL以上。試驗時,溶液溫度保持35,連續浸泡5h,每次試驗結束后,取出試樣,清除試樣表面腐蝕產物,洗凈、干燥后稱重。通過試樣的腐蝕坑數量與最大直徑來定量評估各組試樣的宏觀表面形貌。借助塑料網格統計腐蝕坑數量以確定各組試樣的腐蝕坑密度。將塑料網格覆蓋在5mm×5mm的金屬表面,統計并記錄該網格視域內的腐蝕坑數量,然后依次移動網格進行測量,直至所有表面都被覆蓋。通過網格記數可以保證在不錯過感興趣區域的同時有效地減小用眼強度。對于直徑較大的腐蝕坑,將其剖開后觀察真實形貌,從而確定該腐蝕坑的直徑。

    試樣耐點蝕性能可以用腐蝕速率表示,腐蝕速率v計算公式為v=G1-G2S×t(1)式中:G1為試驗前試樣的質量,g;G2為試驗后試樣的質量,g;S為試驗試樣總面積,m2;t為試驗時間,h。

    2試驗結果

    2.1點蝕孔宏觀形貌

    腐蝕后的試樣表面宏觀形貌如圖2所示,2中可以觀察到腐蝕坑的密度、尺寸和形貌。測量并統計各組試樣腐蝕坑的數量與直徑,結果如圖3所示,從圖3可以看出:經過5h點蝕試驗后A,B,C,D4組試樣表面均出現了腐蝕坑,試樣A出現數個較淺的腐蝕坑,其中較大的腐蝕坑的孔徑達1.5mm,較小腐蝕坑的孔徑為1.2mm。試樣B出現大量的腐蝕坑,但深度較淺,其中最大的腐蝕坑孔徑達1.4mm,較小的腐蝕坑孔徑達0.6mm。

    試樣C出現更為密集且深度更大的腐蝕坑,較大的腐蝕坑孔徑可達1.4mm。試樣D點腐蝕最為嚴重,出現大量的腐蝕深孔,最大腐蝕坑孔徑達2.5mm,較小的腐蝕坑孔徑也有2mm,且腐蝕坑深度較大。比較4組試樣的點蝕坑形貌,發現試樣D的點蝕坑數量和深度均大于其他3組試樣。

    2.2腐蝕速率

    根據腐蝕前后試樣的重量變化,采用式(1)可以計算每組試樣的腐蝕速率,結果見表2。腐蝕速率數值主要用于評判材料耐均勻腐蝕性能,同時也可以在一定程度上反映材料耐點蝕的能力。從腐蝕速率數據看,A試樣腐蝕速率最小,B試樣其次,CD試樣腐蝕速率明顯高于AB。

    2.3點腐蝕SEM形貌和能譜

    通過捷克TESCANVEGA3SBH型掃描電子顯微鏡觀察,4組試樣腐蝕坑的微觀形貌如圖4所示。為了分析主要合金元素對點腐蝕性能的影響,分別選取腐蝕坑周邊3個位置進行能譜分析,結果如圖5所示。其中,區域1316不銹鋼未發生點蝕的區域,區域2為腐蝕坑邊緣,區域3為腐蝕坑中心內壁。經能譜分析后,試樣各區域的Mn,S元素含量見表3,4。由表3,4可見:在未發生點蝕的區域Mn元素含量較高,S元素含量較低;而在腐蝕坑邊緣和腐蝕坑中心區域則剛好相反,Mn元素含量較低,S元素含量較高。

    3結論

    對化學成分存在差異的4316不銹鋼在10%三氯化鐵溶液中進行了點腐蝕試驗,4組試樣的耐點蝕性能呈現出明顯差異。通過失重率來衡量各組試樣在三氯化鐵溶液中的腐蝕速率,并對各組試樣進行了SEM形貌觀測與能譜分析,探討了各主要合金元素對316不銹鋼的點蝕性能影響,結果發現:Cr,Mo元素含量的增加能有效提高316不銹鋼在三氯化鐵溶液中的耐點蝕性能,降低腐蝕速率;Mn元素會以MnS的形式作為夾雜相存在,促使點蝕的發生和發展,從而降低316不銹鋼的耐點蝕性能。最后根據點蝕試驗結果,提出了改進的PRE計算式。該計算式中加入了Mn元素的影響,同時調整了Cr,Mo元素對耐點蝕性能影響的權重。

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