硝酸熔盐对不锈钢材料腐蚀行为的研究*

刘义林，陈素清，黄国波，张　诚，项军伟

(1 浙江百纳橡塑设备有限公司，浙江　仙居　317300;2 台州学院医药化工学院，浙江　台州　318001;3 浙江工业大学化学工程学院，浙江　杭州　310014)



特稿

硝酸熔盐对不锈钢材料腐蚀行为的研究*

刘义林1，陈素清2，黄国波2，张诚3，项军伟1

(1 浙江百纳橡塑设备有限公司，浙江仙居317300;2 台州学院医药化工学院，浙江台州318001;3 浙江工业大学化学工程学院，浙江杭州310014)

通过熔盐热腐蚀浸泡实验，研究了301奥氏体不锈钢在不同温度硝酸熔盐中的腐蚀性能，考察了熔盐温度、浸泡时间对不锈钢材料表面结构和各主要组成元素含量的影响。结果表明，提高熔盐温度和延长浸泡时间加速不锈钢材料的腐蚀，致使不锈钢材料表面铁元素含量降低，氧元素含量提高。这为高温熔盐关键部件基体材料的选择提供重要依据。

不锈钢；腐蚀性能；熔盐；元素分析

硝酸熔盐作为传热蓄热介质，具有良好的热稳定性、低的蒸汽压、热容量大、粘度较低等优势，广泛应用于化学、石化、太阳能电池及冶金等行业。但硝酸熔盐的使用温度在150～600 ℃下具有一定的腐蚀性，尤其是硝酸盐体系中含有一定量的氯离子，其对于蓄热器件的腐蚀性不可忽视[1-6]。高温硝酸熔盐对于传热蓄热系统部件的腐蚀会造成传热蓄热容器、部件的减薄甚至破裂、蓄热介质泄漏和系统短路等[7]，因此研究高温条件下硝酸熔盐对蓄热系统部件材料的腐蚀性能，对于硝酸熔盐在各领域的应用具有非常重要的意义。

本文以三元硝酸熔盐为腐蚀介质，研究了不同温度下硝酸熔盐对不锈钢材料的腐蚀行为，以及对不锈钢材料结构与组成的影响，为金属材料在熔盐环境下应用研究提供重要的依据。

1　实验部分

1.1原料及试剂

301奥氏体不锈钢，牌号1Cr17Ni7；硝酸钾(KNO3)、硝酸钠(NaNO3)、亚硝酸钠(NaNO2)，分析纯；三元硝酸熔盐由7%NaNO3、53%KNO3、40%NaNO2组成。

1.2熔盐腐蚀浸泡

将不锈钢材料经切割、清洗、称量后分别浸泡于相应熔融硝酸盐腐蚀介质中，熔盐温度保持在150 ℃、200 ℃、300 ℃和450 ℃，分别在72 h、168 h、336 h、504 h、720 h后取出样品，清洗并去除表面腐蚀产物后称量，计算其失重率和年腐蚀率。

1.3表征与测试

扫描电镜(SEM)测试：利用Hitachi S-4800(II)型发射扫描电子显微镜(日本Hitachi公司)观察样品的形貌，X射线光电子能谱(EDX)测试：采用扫描电镜自带的NORAN Vantage-ESI型EDX微型分析仪测试样品表面的元素含量。

2　结果与讨论

2.1熔盐腐蚀性能

图1　在不同温度下不锈钢腐蚀失重率

随着温度的升高，图1为301奥氏体不锈钢在不同温度熔盐的失重率。如图1所示，随着腐蚀时间的增加，不锈钢的腐蚀失重率逐渐增大。在150 ℃、200 ℃、300 ℃和450 ℃下，不锈钢在熔盐中浸泡720 h后失重率分别为6.45 g/m2、7.98 g/m2、12.32 g/m2和27.88 g/m2，可见在腐蚀时间相同的条件下，提高熔盐的温度，加速不锈钢材料的腐蚀过程。由材料浸泡720 h后的失重率数据可以推算出301奥氏体不锈钢在200 ℃以下的年腐蚀厚度小于0.008 mm，根据金属耐蚀性十级标准，年腐蚀厚度在0.01～0.001 mm时，其耐蚀等级为很耐蚀。因此，在200 ℃以下301奥氏体不锈钢可认为均具有较好的耐熔盐腐蚀性能。在450 ℃下，301奥氏体不锈钢的年腐蚀厚度约0.05 mm，耐腐蚀性能明显下降，因此301奥氏体不锈钢不适合在高温熔盐环境长期使用。

2.2SEM分析

图2　在200 ℃熔盐浸泡的301奥氏体不锈钢表面的SEM图

图2为在200 ℃熔盐浸泡不同时间的301奥氏体不锈钢表面的SEM图。如图2a、b所示，301奥氏体不锈钢在熔盐浸泡前表面平整，且带有大量细小的裂纹。在熔盐里浸泡168 h后，不锈钢表面出现了一些微小的腐蚀凹坑(图2c、d)，相比而言，熔盐浸泡168 h后，不锈钢表面腐蚀凹坑不仅数量明显增加，而且腐蚀凹坑的直径和深度显著增大(图2e、f)。这是由于在高温硝酸熔盐环境中，起腐蚀作用的硝酸根离子破坏首先不锈钢表面的钝化膜，随后基体材料与腐蚀介质发生反应，随着腐蚀时间的加长，基体材料腐蚀程度逐渐加重，致使不锈钢的失重率提高，这与腐蚀性能测试结果吻合。

2.3元素分析

图3　不同温度下熔盐浸泡不锈钢表面的元素含量比较

通过EDS能谱分析，可以得到材料表面的元素组成及含量，图3为在不同温度下熔盐浸泡不锈钢表面的铁、氧、铬和镍元素含量比较图。从图3a可知，在200 ℃熔盐浸泡720 h后，不锈钢表面铁元素含量从66.64%下降到63.82%；在450 ℃熔盐浸泡720 h后，不锈钢表面铁元素含量降至60.28%，可见高温加速了不锈钢材料铁元素的腐蚀。相比而言，不锈钢表面氧元素含量呈现相反的变化趋势。在200 ℃熔盐浸泡720 h后，不锈钢表面氧元素含量提高了约38%，在450 ℃条件下氧元素含量提高了约69%(图3b)，这不仅表明熔盐腐蚀过程中有氧化物生成，而且高温条件提高了不锈钢材料表面氧化物的含量。从图3c和d可见，在高温熔盐长时间浸泡后，不锈钢表面的铬和镍元素含量总体变化不大，这表明在不锈钢材料中，起防腐蚀作用的主要是铬和镍元素。因为铬和镍在不锈钢表面形成均匀致密并且具有一定自我修复能力的钝化膜，可以抵御来自使用环境中的腐蚀作用。

3　结　论

通过熔盐热腐蚀浸泡实验，研究了301奥氏体不锈钢在不同温度硝酸熔盐中的腐蚀性能，以及熔盐温度、浸泡时间对不锈钢材料表面结构和各主要组成元素含量的影响。研究表明提高熔盐温度和延长浸泡时间增加了301奥氏体不锈钢的失重率，增大了不锈钢材料表面腐蚀凹坑的直径和深度，降低了不锈钢表面铁元素含量，提高了其氧元素含量。

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Study on Hot Corrosion Behavior of Stainless Steel in Molten Nitrate Salt*

LIUYi-lin1,CHENSu-qing2,HUANGGuo-bo2,ZHANGCheng3,XIANGJun-wei1

(1 Zhejiang Baina Rubber Equipment Company Limited, Zhejiang Xianju 317300;2 School of Pharmaceutical and Chemical Engineering Taizhou University, Zhejiang Taizhou 318001;3 Chemical Engineering College, Zhejiang University of Technology, Zhejiang Hangzhou 310014, China)

Based on the heat erosion test by immersing in molten salt, an examination was conducted to identify the corrosion properties of 301 austenite stainless steel in molten nitrate salt at different temperatures. Moreover, the effect of temperature and time on the structure and element content on the surface of stainless steel was investigated. The results showed that the corrosion of stainless steel was promoted, and the Fe element content on the surface of stainless steel was decreased with increasing the O element content by increasing temperature and time. These provided laying the important data foundation for the choice of materials in thermal corrosive media system.

stainless steel；corrosion properties；molten salt；elemental analysis

国家国际科技合作专项(项目编号：2013DFR70260)；中欧国际合作项目(项目号：SQ2013Z0C200010)；台州市科技计划项目(项目编号：14GY01)资助。

刘义林(1979-)，男，主要从事复合材料的研究工作。

O61

A

1001-9677(2016)02-0001-03