浅议Cl—对常见不锈钢的腐蚀机理及预防措施

宋瑞+牛丽君

摘要：对于奥氏体不锈钢在Cl— 环境下的腐蚀，各种权威的书籍均有严格的要求，Cl— 含量要小于25ppm，否则就会发生应力腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀及其他类型的腐蚀。在实际工程应用中，有很多高浓度的Cl— 含量的环境中需使用奥氏体不锈钢，因此分析Cl— 对不锈钢的腐蚀，从而对症采取预防措施，延长使用寿命具有很高的经济效益和安全生产需求。

关键词：Cl— 、不锈钢、晶间腐蚀、钝化

1. 前言

不锈钢是上世纪初起源于英美德等国家的新型现代化金属材料，在数十年的应用中逐步发展，工艺逐渐成熟。通常情况下，在不同的腐蚀环境中，不锈钢产品的适应性不尽相同，腐蚀失效的类型也是多种多样的.不一样的材料和不同的金属成分占比在不一样的负荷及不一样介质环境中，其腐蚀方法不同。

常见几种腐蚀材料中，尤以Cl— 对奥氏体不锈钢的腐蚀最为明显，目前相关的技术文件及权威出版物均对腐蚀环境中Cl—含量做了明确的要求，不超过25ppm。

2. 常用不锈钢的腐蚀机理及程度分析

不锈钢中的主要合金元素是Cr（铬），只有当Cr含量达到一定值时，钢材才具有耐蚀性。常见的材料中，不锈钢Cr含量一般在10.5%以上。不锈钢的耐蚀机理为钝化膜理论，即其表面形成一层极薄而坚固细密的稳定的富Cr钝化膜，防止氧原子继续渗入、氧化内层金属，从而达到防锈蚀的能力。

通常情况下，不锈钢发生的腐蚀破坏多是局部腐蚀破坏，最常见的有晶间腐蚀、点蚀和应力腐蚀，占比如附图所示；

2.1 晶间腐蚀

晶间腐蚀是沿品界进行的腐蚀，使晶粒的衔接遭到损坏.这种腐蚀的危害性最大，它可以使金属变脆或损失强度，敲击时失去金属弹性，易构成偶然事端.晶间腐蚀为奥氏体不锈钢的主要腐蚀类型，这是因为晶界区域与晶内成分或应力不一致，致使晶界区域电极电位明显降低而构成的电极电位差不一样所导致.

晶间腐蚀是由于晶界上贫Cr，导致该区域优先腐蚀，进而使晶粒整体从金属上脱离。热处理450℃～850℃温度区间中C与Cr易形成碳铬化合物（Cr23C6），晶界处消耗的Cr不能及时从晶粒中得到补充，使晶界区域贫Cr，这是导致晶间腐蚀的关键。

2.2 应力腐蚀

金属在腐蚀介质及拉应力（外加应力或内应力）的共同作用下发生决裂表象，开裂方法首要是沿晶界的、也有穿晶界的，这是一种风险较大的低应力脆性开裂、在氯化介质和碱性氧化物或其它水溶性介质中常发生应力腐蚀，在许多设备的破损事故中占有相当大的比例。

不锈钢的应力腐蚀是不锈钢失效中发生次数最多，后果最严重的腐蚀形式。若腐蚀过程中有轻微裂纹的产生，其扩展速率将会比其他腐蚀类型快几个数量级，造成灾难性的后果。化工厂，核电站，锅炉等常出现不锈钢材料应力腐蚀开裂的现象。

多年来，不锈钢应力腐蚀问题得到了广泛的研究，提出了多种不同的机理来解释应力腐蚀现象，但迄今尚无公认的统一机理。由于应力腐蚀是一个与腐蚀有关的过程，其机理必然与腐蚀过程中的阳极和阴极反应有关，因而应力腐蚀机理主要分两大类：阳极溶解型和氢致开裂型，以及在这两类机理基础上发展起来的表面膜破裂理论、活性通道理论、应力吸附开裂理论、腐蚀产物楔入理论和闭塞电池理论等。

造成应力腐蚀主要有三个方面因素：材料、腐蚀环境和拉应力。材料因素包括元素含量、热处理、微观组织及表面状态；腐蚀环境包括介质种类、温度、电位及液体流动速率；拉应力包括服役应力、安装应力、残余应力及拉伸速率等。

2.3 点腐蚀

点腐蚀是发生在金属外表部分区域的一种腐蚀损坏方法。点腐蚀构成后能迅速地向深处发展，最终穿透金属，形成孔洞腐蚀。

在介质中，金属外表钝化膜遭到部分破坏，从而引发点腐蚀。在富含Cl—的介质中，材料外表缺点、疏松及非金属夹杂物等都可导致点腐蚀。点腐蚀一般在静止的介质中容易发生，蚀孔通常沿着重力方向或横向方向发展。孔蚀一旦形成即向深处自动加速。表面的氧化膜在含有氯离子的水溶液中溶解，导致在基底金属上生成孔径为20μm～30μm 小蚀坑，这些小蚀坑便是孔蚀核。在氯离子的作用下，孔蚀核迅速发展成蚀孔。

2.4 腐蚀疲惫

金属在腐蚀介质及交变应力效果下发生的损坏，其特点是产生腐蚀坑和很多裂纹，降低钢的疲劳强度，致使金属过早开裂。腐蚀疲劳不同于机械疲劳，它没有必定的疲劳极限，随着交变应力作用的循环次数的增加，疲劳强度持续降低，最终形成金属开裂。.

3. 对常用不锈钢Cl— 腐蚀的预防处理

综上，不锈钢腐蚀的原因多种多样，但最终的机理基本一致，对不同类型的腐蚀应选择对应的防护措施。

对晶间腐蚀的预防，通常是选择低碳不锈钢，并添加稳定化元素Ti、Nb等，在加工中做好固溶退火处理；

对点蚀的预防，通常是选择耐Cl— 腐蚀性强的材料，并防止Cl— 附着，是预防点蚀的重要手段；对加工成品要进行合理的表面处理，形成稳定钝化膜。

对应力腐蚀的预防，主要是在加工中做好热处理， 减少高应力部件的应力集中，防止加工过程中产生应力效应。

综合以上几种不同类型不锈钢腐蚀的预防措施及腐蚀机理可见，不锈钢的选择应遵循以下几点要求：

（1）根据不同的腐蚀环境选择不同类型的不锈钢；

（2）根據需要选择不同碳含量和稳定金属元素含量的不锈钢；

（3）对钢构件做好退火处理，消除应力；

（4）对钢构件表面做好钝化膜的处理和保护

4. 总结

在科学技术日新月异，科研水平不断提高的新时代，新材料的研发速度仍然不能完全解决腐蚀问题的发生。在实际工程应用中不锈钢材料的腐蚀问题层出不穷，目前的预防措施虽然取得了一定的成效，但仍存在严重不足，各种防护手段都只能在一定范围内起到作用。长远考虑，合理选材，实时监测依然是控制腐蚀的关键。

在实际使用中，针对不同的腐蚀环境，应因地制宜选择稳定金属含量不同和含碳量不同的不锈钢材料。endprint