硝酸熔鹽對不銹鋼材料腐蝕行為的研究*

劉義林，陳素清，黃國波，張　誠，項軍偉

(1 浙江百納橡塑設(shè)備有限公司，浙江　仙居　317300;2 臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院，浙江　臺州　318001;3 浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江　杭州　310014)

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特稿

硝酸熔鹽對不銹鋼材料腐蝕行為的研究*

劉義林1，陳素清2，黃國波2，張誠3，項軍偉1

(1 浙江百納橡塑設(shè)備有限公司，浙江仙居317300;2 臺州學(xué)院醫(yī)藥化工學(xué)院，浙江臺州318001;3 浙江工業(yè)大學(xué)化學(xué)工程學(xué)院，浙江杭州310014)

通過熔鹽熱腐蝕浸泡實驗，研究了301奧氏體不銹鋼在不同溫度硝酸熔鹽中的腐蝕性能，考察了熔鹽溫度、浸泡時間對不銹鋼材料表面結(jié)構(gòu)和各主要組成元素含量的影響。結(jié)果表明，提高熔鹽溫度和延長浸泡時間加速不銹鋼材料的腐蝕，致使不銹鋼材料表面鐵元素含量降低，氧元素含量提高。這為高溫熔鹽關(guān)鍵部件基體材料的選擇提供重要依據(jù)。

不銹鋼；腐蝕性能；熔鹽；元素分析

硝酸熔鹽作為傳熱蓄熱介質(zhì)，具有良好的熱穩(wěn)定性、低的蒸汽壓、熱容量大、粘度較低等優(yōu)勢，廣泛應(yīng)用于化學(xué)、石化、太陽能電池及冶金等行業(yè)。但硝酸熔鹽的使用溫度在150～600 ℃下具有一定的腐蝕性，尤其是硝酸鹽體系中含有一定量的氯離子，其對于蓄熱器件的腐蝕性不可忽視[1-6]。高溫硝酸熔鹽對于傳熱蓄熱系統(tǒng)部件的腐蝕會造成傳熱蓄熱容器、部件的減薄甚至破裂、蓄熱介質(zhì)泄漏和系統(tǒng)短路等[7]，因此研究高溫條件下硝酸熔鹽對蓄熱系統(tǒng)部件材料的腐蝕性能，對于硝酸熔鹽在各領(lǐng)域的應(yīng)用具有非常重要的意義。

本文以三元硝酸熔鹽為腐蝕介質(zhì)，研究了不同溫度下硝酸熔鹽對不銹鋼材料的腐蝕行為，以及對不銹鋼材料結(jié)構(gòu)與組成的影響，為金屬材料在熔鹽環(huán)境下應(yīng)用研究提供重要的依據(jù)。

1　實驗部分

1.1原料及試劑

301奧氏體不銹鋼，牌號1Cr17Ni7；硝酸鉀(KNO3)、硝酸鈉(NaNO3)、亞硝酸鈉(NaNO2)，分析純；三元硝酸熔鹽由7%NaNO3、53%KNO3、40%NaNO2組成。

1.2熔鹽腐蝕浸泡

將不銹鋼材料經(jīng)切割、清洗、稱量后分別浸泡于相應(yīng)熔融硝酸鹽腐蝕介質(zhì)中，熔鹽溫度保持在150 ℃、200 ℃、300 ℃和450 ℃，分別在72 h、168 h、336 h、504 h、720 h后取出樣品，清洗并去除表面腐蝕產(chǎn)物后稱量，計算其失重率和年腐蝕率。

1.3表征與測試

掃描電鏡(SEM)測試：利用Hitachi S-4800(II)型發(fā)射掃描電子顯微鏡(日本Hitachi公司)觀察樣品的形貌，X射線光電子能譜(EDX)測試：采用掃描電鏡自帶的NORAN Vantage-ESI型EDX微型分析儀測試樣品表面的元素含量。

2　結(jié)果與討論

2.1熔鹽腐蝕性能

圖1　在不同溫度下不銹鋼腐蝕失重率

隨著溫度的升高，圖1為301奧氏體不銹鋼在不同溫度熔鹽的失重率。如圖1所示，隨著腐蝕時間的增加，不銹鋼的腐蝕失重率逐漸增大。在150 ℃、200 ℃、300 ℃和450 ℃下，不銹鋼在熔鹽中浸泡720 h后失重率分別為6.45 g/m2、7.98 g/m2、12.32 g/m2和27.88 g/m2，可見在腐蝕時間相同的條件下，提高熔鹽的溫度，加速不銹鋼材料的腐蝕過程。由材料浸泡720 h后的失重率數(shù)據(jù)可以推算出301奧氏體不銹鋼在200 ℃以下的年腐蝕厚度小于0.008 mm，根據(jù)金屬耐蝕性十級標準，年腐蝕厚度在0.01～0.001 mm時，其耐蝕等級為很耐蝕。因此，在200 ℃以下301奧氏體不銹鋼可認為均具有較好的耐熔鹽腐蝕性能。在450 ℃下，301奧氏體不銹鋼的年腐蝕厚度約0.05 mm，耐腐蝕性能明顯下降，因此301奧氏體不銹鋼不適合在高溫熔鹽環(huán)境長期使用。

2.2SEM分析

圖2　在200 ℃熔鹽浸泡的301奧氏體不銹鋼表面的SEM圖

圖2為在200 ℃熔鹽浸泡不同時間的301奧氏體不銹鋼表面的SEM圖。如圖2a、b所示，301奧氏體不銹鋼在熔鹽浸泡前表面平整，且?guī)в写罅考毿〉牧鸭y。在熔鹽里浸泡168 h后，不銹鋼表面出現(xiàn)了一些微小的腐蝕凹坑(圖2c、d)，相比而言，熔鹽浸泡168 h后，不銹鋼表面腐蝕凹坑不僅數(shù)量明顯增加，而且腐蝕凹坑的直徑和深度顯著增大(圖2e、f)。這是由于在高溫硝酸熔鹽環(huán)境中，起腐蝕作用的硝酸根離子破壞首先不銹鋼表面的鈍化膜，隨后基體材料與腐蝕介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，隨著腐蝕時間的加長，基體材料腐蝕程度逐漸加重，致使不銹鋼的失重率提高，這與腐蝕性能測試結(jié)果吻合。

2.3元素分析

圖3　不同溫度下熔鹽浸泡不銹鋼表面的元素含量比較

通過EDS能譜分析，可以得到材料表面的元素組成及含量，圖3為在不同溫度下熔鹽浸泡不銹鋼表面的鐵、氧、鉻和鎳元素含量比較圖。從圖3a可知，在200 ℃熔鹽浸泡720 h后，不銹鋼表面鐵元素含量從66.64%下降到63.82%；在450 ℃熔鹽浸泡720 h后，不銹鋼表面鐵元素含量降至60.28%，可見高溫加速了不銹鋼材料鐵元素的腐蝕。相比而言，不銹鋼表面氧元素含量呈現(xiàn)相反的變化趨勢。在200 ℃熔鹽浸泡720 h后，不銹鋼表面氧元素含量提高了約38%，在450 ℃條件下氧元素含量提高了約69%(圖3b)，這不僅表明熔鹽腐蝕過程中有氧化物生成，而且高溫條件提高了不銹鋼材料表面氧化物的含量。從圖3c和d可見，在高溫熔鹽長時間浸泡后，不銹鋼表面的鉻和鎳元素含量總體變化不大，這表明在不銹鋼材料中，起防腐蝕作用的主要是鉻和鎳元素。因為鉻和鎳在不銹鋼表面形成均勻致密并且具有一定自我修復(fù)能力的鈍化膜，可以抵御來自使用環(huán)境中的腐蝕作用。

3　結(jié)　論

通過熔鹽熱腐蝕浸泡實驗，研究了301奧氏體不銹鋼在不同溫度硝酸熔鹽中的腐蝕性能，以及熔鹽溫度、浸泡時間對不銹鋼材料表面結(jié)構(gòu)和各主要組成元素含量的影響。研究表明提高熔鹽溫度和延長浸泡時間增加了301奧氏體不銹鋼的失重率，增大了不銹鋼材料表面腐蝕凹坑的直徑和深度，降低了不銹鋼表面鐵元素含量，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

國家國際科技合作專項(項目編號：2013DFR70260)；中歐國際合作項目(項目號：SQ2013Z0C200010)；臺州市科技計劃項目(項目編號：14GY01)資助。

劉義林(1979-)，男，主要從事復(fù)合材料的研究工作。

O61

A

1001-9677(2016)02-0001-03