1Cr18Ni9Ti鋼高溫腐蝕的機理

王淑花,　李鳳春,　張玉剛,　郭楠男,　徐玉榮

(1.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150022; 2.哈爾濱建成集團有限公司, 哈爾濱 150030)

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1Cr18Ni9Ti鋼高溫腐蝕的機理

王淑花1,李鳳春2,張玉剛2,郭楠男2,徐玉榮2

(1.黑龍江科技大學 材料科學與工程學院, 哈爾濱 150022; 2.哈爾濱建成集團有限公司, 哈爾濱 150030)

為了探討1Cr18Ni9Ti鋼在高溫鹽介質(zhì)條件下的腐蝕性能,研究1Cr18Ni9Ti鋼在NaCl單質(zhì)鹽膜、75% Na2SO4+25% NaCl混合鹽膜850 ℃保溫10 h下的熱腐蝕性能。利用XRD分析腐蝕產(chǎn)物,利用金相顯微鏡分析腐蝕層的截面形貌特征和腐蝕機理。結(jié)果表明:1Cr18Ni9T鋼在75%Na2SO4+25%NaCl混合鹽膜下的熱腐蝕程度要比NaCl單質(zhì)鹽條件下的熱腐蝕嚴重,前者腐蝕機理為硫化氧化和堿性熔融,后者腐蝕符合氯腐蝕機理。

1Cr18Ni9Ti鋼; 熱腐蝕; 涂鹽實驗

0　引　言

1Cr18Ni9Ti鋼是奧氏體不銹鋼,由于它在許多化學介質(zhì)中具有高度的穩(wěn)定性,并且能耐高溫氣體腐蝕,所以在化學工業(yè)中得到最廣泛的應(yīng)用。在許多有機產(chǎn)品和聚合物的生產(chǎn)過程中,如在尿素、醋酸、聚丙烯、聚乙烯醇等的生產(chǎn)中,大多數(shù)設(shè)備都是由鉻鎳合金鋼和奧氏體不銹鋼制造。其中大量與各種工業(yè)水(含Cl-)、海水接觸的列管換熱器、冷凝器和夾套反應(yīng)器多用奧氏體不銹鋼制造。在電力工業(yè)中,不銹鋼的應(yīng)用范圍也越來越廣泛。雖然不銹鋼在各種工業(yè)水和海水中具有很低的全面腐蝕速度,但是其局部腐蝕極其嚴重的,在實際工業(yè)生產(chǎn)條件下,不銹鋼設(shè)備,特別是各種換熱器和水冷卻器,腐蝕破壞的事故頻繁。近年來,國內(nèi)外很多學者對1Cr18Ni9Ti鋼在高溫條件下的氧化行為和腐蝕行為進行研究,但對在涂有鹽膜條件下的氧化行為研究不多[1-4]。筆者對1Cr18Ni9Ti鋼在涂有不同鹽膜條件下進行高溫氧化,研究其在該條件下的熱腐蝕性能及熱腐蝕機理。

1　實驗材料與方法

材料為2 mm 厚的1Cr18Ni9Ti不銹鋼板,試樣尺寸10 mm×20 mm×2 mm,采用NaCl單質(zhì)鹽和混合鹽溶液進行涂鹽實驗。涂兩種不同鹽膜的試樣在850 ℃保溫10 h。用單位面積的質(zhì)量損失來評價其熱腐蝕程度[5-6],利用XRD進行腐蝕物相分析,利用金相顯微鏡對剖面腐蝕形貌進行觀察分析。

2　實驗結(jié)果與分析

2.1腐蝕性能及產(chǎn)物分析

通過實驗獲知,1Cr18Ni9Ti鋼在混合鹽膜下的腐蝕失量平均值為12.8 mg/cm2,在單質(zhì)鹽膜下的腐蝕失量平均值為10 mg/cm2,可見,混合鹽對的1Cr18Ni9Ti鋼的腐蝕程度要比單質(zhì)鹽嚴重。分析其原因,認為混合鹽可以與基體反應(yīng)生成大量低熔點共晶物,而這種共晶物會加速對氧化膜以及對基體的腐蝕所致。

圖1分別為1Cr18Ni9Ti鋼在NaCl單質(zhì)鹽膜下和混合鹽膜下850 ℃恒溫10 h的熱腐蝕表面產(chǎn)物。從圖中可以看出,腐蝕產(chǎn)物基本相同,均以Fe和Cr的氧化產(chǎn)物為主,沒有氯化物的存在。原因在于,在腐蝕過程中氯化物被氧化,氯以氯氣形式擴散出去,同時氯化物以及氯化物同合金形成的共晶物在高溫下將大量揮發(fā),經(jīng)過一段時間的腐蝕,氯被大量消耗,同時氯化物也可以隨氧化皮脫落,因此造成腐蝕失重。從腐蝕產(chǎn)物中還可以看出有Fe+2Cr2O4的形成,即氧化物與鐵直接形成化合物,說明在腐蝕過程中氧化物將以共晶物的形式參與腐蝕[7-9]。

圖1　試樣表面XRD分析

2.2腐蝕形貌及機理分析

圖2為1Cr18Ni9Ti鋼涂NaCl鹽膜在850 ℃保溫10 h后試樣的截面。

圖2　涂NaCl鹽膜試樣的截面形貌

從圖2中可以看出,試樣表面極不規(guī)則,形成了許多孔洞式腐蝕坑,其表面缺陷非常嚴重,有些孔洞相互連接形成裂紋伸向組織內(nèi)部,分析其機理,腐蝕層中晶界率先被腐蝕,熔融的NaCl被氧化釋放出活潑的Cl,通過快速擴散進入腐蝕層的晶界,與基體反應(yīng)生成氯化物,而生成的氯化物又被液態(tài)的NaCl溶解,一部分通過擴散到達液氣界面揮發(fā)。氯化與氧化、碳化、硫化、氮化的差異在于金屬氯化物具有更高的蒸汽壓和低的熔點,如FeCl2在536 ℃、NiCl2在607 ℃、CrCl3在611 ℃均可發(fā)生明顯的揮發(fā)現(xiàn)象。而FeCl2和FeCl3的熔點僅分別為675和305 ℃,即使形成氯化物的凝聚相,也會同時發(fā)生氯化物分子的連續(xù)蒸發(fā)。因此,在XRD物相分析中并沒有檢測到氯化物。

從圖2a中還可以看到,在晶界處產(chǎn)生了許多孔洞,即產(chǎn)生了嚴重的晶間腐蝕。但在混合鹽的熱腐蝕下,并沒有如此嚴重,在400倍下可以看到晶界產(chǎn)生的細小的腐蝕孔洞。

從圖3中還可以看出,在75%Na2S04+25%NaCl 混合鹽膜的腐蝕下,腐蝕層有明顯的層次性,外層黑色層為氧化層,緊接著里面為反應(yīng)層。

圖3　涂混合鹽膜試樣的截面形貌

在反應(yīng)層可以看到大量細小的孔洞,并產(chǎn)生一定的晶間腐蝕,其腐蝕程度比單質(zhì)鹽介質(zhì)條件下的輕一些。反應(yīng)層也存在許多缺陷,同時腐蝕沿著晶界向基體內(nèi)部擴展。這是內(nèi)硫化的結(jié)果,熔融態(tài)混合鹽中的S被氧化而釋放出來,然后S將沿著晶界向里擴散,同時生成硫化物。硫化物被液態(tài)熔鹽溶解,并被氧重新氧化釋放出S,如此反復(fù)促使腐蝕不斷進行。被氧化的硫化物生成氧化物而沉積到最外層,所以在XRD的結(jié)果中有氧化產(chǎn)物,而未發(fā)現(xiàn)硫化產(chǎn)物[7-10]。

3　結(jié)　論

(1)在850 ℃,保溫10 h的腐蝕實驗中,1Cr18Ni9Ti鋼在75%Na2S04+25%NaCl混合鹽膜下熱腐蝕程度要比NaCl單質(zhì)鹽膜下的熱腐蝕嚴重,分析原因,由于混合鹽膜條件下在表面形成一層腐蝕層,在實驗中這層腐蝕層大部分整體剝落,落在實驗用的坩堝中,所以,造成工件失重增大。

(2)在850 ℃,保溫10 h的腐蝕實驗中,1Cr18Ni9Ti鋼無論是單質(zhì)鹽還是混合鹽條件下基體均出現(xiàn)了晶間腐蝕,但單質(zhì)鹽條件下的比較嚴重。

(3)在實驗中基體中出現(xiàn)晶間腐蝕的原因,是Cl以及S優(yōu)先沿晶界擴散并在晶界處生成硫化物或氯化物所致。

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(編輯徐巖)

Investigation of corrosion mechanism of 1Cr18Ni9Ti steel at high temperature

WANGShuhua1,LIFengchun2,ZHANGYugang2,GUONannan2,XUYurong2

(1.School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China; 2. Harbin Jian cheng Group Corporation, Harbin 150030, China)

This paper is aimed at exploring the corrosion properties of 1Cr18Ni9Ti steel in the presence of salt film at high temperature, the hot corrosion properties of 1Cr18Ni9Ti steel in the presence of single NaCl film and in the presence of 75% Na2SO4+25% NaCl mixture salt film at 850 ℃ holding for 10 h. This study investigates the corrosion products, the cross-sectional morphology, and the corrosion mechanism by X-ray diffraction and Optical microscope. The results show that 1Cr18Ni9Ti steel has a much more serious corrosion in the presence of 75% Na2SO4+25% NaCl mixture salt film than in the presence of single NaCl film, with the former working by corrosion mechanism of sulfide oxidation and alkaline fusion and the latter by that of chlorine corrosion.

1Cr18Ni9Ti steel; hot corrosion; salt coating

2015-08-14

王淑花(1972-),女,山東省臨朐人， 副教授, 碩士, 研究方向:耐磨材料及表面工程,E-mail:wsh-wangshuhua@163.com。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.009

TG172.82

2095-7262(2015)05-0506-03

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