不锈钢与碳钢材料的接触腐蚀解析

吴文涛

（上海第一机床厂有限公司，上海 浦东 201306）

不锈钢与碳钢材料都是一种工业使用广泛的材料，其中铬-镍不锈钢是不锈钢中应用较为广泛的一种不锈钢，它具有非常好的耐腐蚀、低温、冲压、弯曲特性。而碳素钢中碳素结构钢运用较为广泛，如在实际使用中不锈钢与碳钢混合储存在一起时，在特点的空气环境下会产生电偶反应以及晶间腐蚀，从而造成财产损失。本文将结合工程实际情况对不锈钢与碳钢混合储存的接触腐蚀进行简要分析[1，2]。

1 304不锈钢材料

铬-镍不锈钢是现今运用最为广泛的不锈钢，国内表示牌号06Cr19Ni10,国际常用牌号304，不锈钢因为含有18%以上的铬以及8%以上的镍含量，从而具有良好的耐腐蚀和成型的综合性能。其化学元素含量见表1-1不锈钢化学元素含量表，其主要的物理性能如表1-2不锈钢物理性能参数表。

表1 -1 不锈钢化学元素含量表

表1 -2 不锈钢物理性能参数表

2 碳钢材料

碳钢材料是近代工业中使用最广、最早的基本材料，碳钢材料中碳素钢的使用最为广泛。而碳钢材料含碳量的多少直接关系到碳素钢材料性能，随着含碳量增加，钢的硬度、强度随之提升，钢材的塑性、可焊性能降低。同时碳钢中锰元素、硅元素、镍元素、硫元素也对碳钢材性能影响。

3 腐蚀特性

腐蚀一般表现在全面腐蚀和局部腐蚀，全面腐蚀是一种以均匀相同的速度腐蚀在整个材料的表面上，其主要特点是腐蚀分布较为均匀，腐蚀量大，腐蚀速度稳定，其也容易检测，如在酸性、碱性条件中发生的腐蚀一般都为全面腐蚀。这种腐蚀一般可以根据材料及腐蚀介质性质估算出腐蚀速度，通常设计者往往可以对腐蚀介质的了解而预留腐蚀裕度进而避免全面腐蚀。而局部腐蚀仅仅表现在某一局部区域，或表现为某一局部腐蚀速度较其他部位腐蚀快。其主要特点为材料总腐蚀量不大，表现为突发性、灾难性，如晶间腐蚀、化学反应等。两种属性不同的材料混合一起，在特定的环境下通常容易产生化学或者电化学反应。如不同种的电位金属在同一种电解质（酸性介质）条件下相互接触，极易产生电偶腐蚀反应，通常负极电位材料会加速反应腐蚀，而正极电位材料会减慢腐蚀。

4 不锈钢、碳钢混合接触腐蚀

在现代实际运用中，碳钢钢材与不锈钢钢材通常会混合使用，碳钢与不锈钢的储存往往是困扰人们的一大难点。如碳钢与不锈钢混合储存往往会产生不利的腐蚀损失。

（1）电偶腐蚀。电偶腐蚀，一种两种不同电位金属接触，从而引起电位低的金属发生腐蚀的异种金属接触腐蚀。当不锈钢材料与碳钢材料混合储存时，不锈钢含有镍、铬金属元素而活波性降低，电极电位便高于普通碳钢为阴极、碳钢为阳极。在潮湿的空气水汽不可避免的融入二氧化碳从而形成酸性的电解质，从而形成电偶反应，碳素体中的铁元素失去电子，形成正二价铁离子，得到电子的铁元素变成三氧化二铁，电流会就会如此通过高位电极（阳极）金属流入低位电极（阴极），至此金属化学能以电能的形式损失，阴极金属因受到保护而腐蚀减慢，阳极以电子损失而更快的腐蚀。

（2）电偶腐蚀形成条件。电偶腐蚀形成条件必须存在以下三点条件，一是两种不同材料存在电位差，不锈钢含有镍、铬金属元素而活波性降低，电极电位便高于普通碳钢，在与碳钢混合接触后形成电位差；二是两种材料存在导电连接，使其两种金属之间的电子可以接触导电；三是两种材料同时处于同一种腐蚀介质中，如潮湿的空气等，能够构成腐蚀电池的离子导电支路。

（3）电偶腐蚀影响因素。电偶腐蚀的主要影响因素包含腐蚀电位差、极化特性、阴阳极面积比等因素的影响。①腐蚀电位差，腐蚀电位差需要引入材料电偶序，一种在两种材料在同一腐蚀环境下腐蚀电位按照正到负顺序排列形成的电位顺序，为电偶序。在电偶序中，当两种材料距离越远则电偶腐蚀趋势越大，研究表明腐蚀电位差值大于250MV时点偶腐蚀就非常严重。②极化特性，电偶腐蚀程度即与腐蚀电位差有关，还与动力学金属极化特性有着密切关系，所谓极化特性指在外加电流和没有外加电流情况下金属的电极电位之差。不锈钢与碳钢偶对，不锈钢极化率很大，阴极反应极慢，而碳钢的极化率较小，阳极反应极快，所以金属的极化性质对电偶反应腐蚀有着极大的影响。

③阴、阳极面积比，研究表明在不锈钢与碳钢混合在一起成电偶腐蚀时，在阴阳面积比不断增加情况下，电流会不断的增大，电偶腐蚀越严重。当不锈钢与碳钢形成电偶腐蚀时其阳极溶解电流密度公式如下：

④温度，不锈钢与碳钢混合接触后，温度会使腐蚀介质的溶液活化浓度增大，从而使热活化动力学增大，腐蚀程度加快。同时研究发现温度变化会直接影响电偶反应的变化。在随着温度的升高时，空气水汽及二氧化碳融入水分中后，形成酸性电解质，温度越高时，电解质的浓度越大，从而增加了电偶反应的电流密度。但当温度超过100摄氏度时，电偶的腐蚀反应反而受到抑制，其主要的原因是在低温条件下，铁元素表面的腐蚀产物FeC及其不稳定，对材料的保护作用有限。当温度超过100摄氏度后，腐蚀产物进一步保护材料不在进一步的腐蚀，同时还会产生极性反应，从而产生保护抑制作用。

（4）不锈钢与碳钢偶接腐蚀模拟分析。不锈钢与碳钢偶接设定条件为，二氧化碳溶于水（酸性电解质）条件下，温度为30摄氏度、60摄氏度和80摄氏度下的点偶腐蚀模拟分析。

模拟分析通过在开路电位电流为零工作电极和电极的电位差，可以直观得出金属腐蚀的强弱，当在不锈钢与碳钢两种不同金属接触时，在二氧化碳融入水中（酸性电解质）条件下，电位较低的碳钢材料电偶腐蚀速率很大，而随着温度的增加腐蚀的速率增大，30摄氏度条件下，碳钢与不锈钢的开路电位在-0.65V与-0.15V，60摄氏度条件下开路电位在-0.7V与-0.21V，80摄氏度条件下开路电位在-0.72V与-0.25V，可以清晰看出，碳钢的电位变化范围很小，而不锈钢的电位变化较大，也直观的得出碳钢材料的腐蚀敏感性要低于不锈钢的腐蚀敏感性。

但是随着时间的推移，碳钢的腐蚀不断的钝化，碳钢腐蚀的产物对碳钢起到了一定性的保护作用，从而减缓了碳钢的腐蚀速率。但是不锈钢的腐蚀随着时间的推移，材料表面的钝化保护膜不断的损失，且不锈钢因为前期腐蚀速率极小，腐蚀产物较少，难以对不锈钢材料起到保护作用，最终是不锈钢材料随着时间的推移其腐蚀的速率不断的加大。综合上述不锈钢与碳钢的接触腐蚀为前期碳钢材料腐蚀速率较快，但是随着时间的推移碳钢腐蚀速率减低，而不锈钢的腐蚀速率不断的加大。

5 腐蚀防止方法

当不锈钢与碳钢两种材料混合接触时，在酸性电解质条件下，容易产生电偶反应腐蚀，当不锈钢材料与碳钢材料不得已必须混合接触储存在一起时，其中主要的防止方法可以将两种材料进行绝缘隔绝，如使用隔绝材料塑料薄膜等进行包裹隔绝，避免两种材料的接触。还可以使储存地点保持干燥，使其不易形成酸性电解质，杜绝形成电偶反应的必要条件。

6 结语

本文结合实际工程情况对不锈钢与碳钢混合接触主要的腐蚀形式，腐蚀形成条件、影响因素等进行了简要分析。不锈钢与碳钢接触在特定的电解质条件下主要的腐蚀为电偶腐蚀，形成电偶腐蚀的条件为电位差、电位接触、位于同种电解质。而影响电偶腐蚀反应的因素包括腐蚀电位差、极化特性、材料阴阳面积比、储存温度等影响。所以不锈钢与碳钢如混合储存，在特点的电解质（酸性电解质）条件下会产生点偶腐蚀，会对工程材料产生重大的损失，所以对不锈钢与碳钢混合储存的研究可以对工程材料的使用和储存具有重大的基础意义。