合金化對不銹鋼耐蝕性能的影響概述

尚培元

摘要：不銹鋼材料作為當前工程項目建設應用最為廣泛的材料之一，在社會經(jīng)濟發(fā)展過程中有十分重要的作用，合金化可以有效提高不銹鋼的耐腐蝕性能，通過合理控制不銹鋼中引入的微量元素的含量以及種類，可以充分發(fā)掘不銹鋼產(chǎn)品的抗腐蝕性能，延長不銹鋼的使用壽命，拓寬不銹鋼的應用領域。目前隨著技術的不斷發(fā)展，已經(jīng)研究出很多具有良好性能的不銹鋼產(chǎn)品，在眾多基礎材料領域發(fā)揮著顯著的優(yōu)勢。本文對合金化對不銹鋼耐蝕性能的影響進行探討。

關鍵詞：合金化;不銹鋼;耐蝕性能

引言：不銹鋼具有優(yōu)異的耐腐蝕性，在各行各業(yè)有著非常廣泛的應用，是當今時代發(fā)展的必備材料之一。當今，金屬腐蝕直接影響到金屬使用壽命和金屬使用領域。不銹鋼合金化能夠在一定程度上提升不銹鋼的耐腐蝕性，經(jīng)過對微量元素以及合金化元素引入，使不銹鋼合金化在耐腐蝕過程得到有效的發(fā)揮，從而顯著改善腐蝕問題，使不銹鋼的價值得到充分發(fā)揮。

一、合金元素對不銹鋼銹蝕性能的影響

經(jīng)過大量的研究發(fā)現(xiàn)適量的合金元素引入可以促進不銹鋼增強抗應力腐蝕性能、抗氧化性能、抗高溫蠕變性能，降低時效硬化，細化晶粒，提高機械加工性能等。在不銹鋼合金化過程中，鉻元素是增加不銹鋼銹蝕性能的基本元素之一，可以有效提高不銹鋼鈍化膜的再生能力或修復能力，提升不銹鋼的耐點蝕性能。在不銹鋼中增加鉻元素可以降低晶間腐蝕的敏感性，減少不銹鋼中的貧鉻區(qū)，一般不銹鋼合金化所摻雜的各元素含量要在10%以上。銅元素的摻雜可以有效提升鋼材料表面銹層的穩(wěn)定性，將不穩(wěn)定的銹層轉(zhuǎn)換為穩(wěn)定的銹層。相關研究表明在鐵素體不銹鋼中添加0.5%的銅元素，發(fā)現(xiàn)不銹鋼在氯化物介質(zhì)中的耐腐蝕性能有明顯的提升，這主要是由于銅元素的加入可以抑制點蝕，而且在酸性狀態(tài)下抑制效果更加明顯。研究者認為已經(jīng)溶解的銅離子可以附著于不銹鋼的表面，降低活化峰的臨界電流密度，使不銹鋼的活性溶解速率降低，從而可以有效增強不銹鋼的耐蝕性能，在腐蝕介質(zhì)中能夠形成具有保護性的氯化銅薄膜。但隨著銅含量的不斷增加，富含銅元素的沉淀物的析出會破壞原有的鈍化膜，降低材料抗腐蝕性能。因此，需要合理控制銅元素的含量，最大程度的滿足抗腐蝕性能要求。

鉬元素和鎢元素對不銹鋼的組織和性能也有很大的影響，鉬元素可以降低不銹鋼表面鈍化膜的缺陷濃度，保證不銹鋼表面鈍化膜的牢固性和致密性，提高材料在不同環(huán)境下的耐腐蝕性能，尤其是抗氯離子點蝕性能。根據(jù)相關實驗探究發(fā)現(xiàn)，材料的點蝕電位隨著鉬含量的逐漸增加而迅速提高，腐蝕速率大大下降，鉬元素的加入可以在活性金屬表面形成不容易被溶解的鉬酸鹽或氧化鉬，以避免不銹鋼核心區(qū)域的溶解。同時鉬元素的加入還可以使鈍化膜更加穩(wěn)定，形成穩(wěn)定性更高的六價目化合物，提高耐蝕性能。鎢元素的作用與鉬元素大致相同，而且鉬元素提高不銹鋼材料抗腐蝕性能的效果更佳。

硅元素是不銹鋼中常見的雜質(zhì)元素，是強鐵素體的形成元素，不銹鋼中的硅元素可以有效提升材料的耐氯離子腐蝕性能，不銹鋼材料在含氯離子的溶液中的點蝕電位隨著不銹鋼中硅含量的逐漸增加而朝向正電位的方向移動。在存在強酸等強氧化劑的介質(zhì)中，硅元素可以在不銹鋼的表面富集而提高不銹鋼表面的鈍化能力，促進鈍化膜的形成，改善氧化膜的形態(tài)。但較少含量的硅元素可能會引起晶界腐蝕，硅元素含量的不斷增加會降低晶界腐蝕效果。因此，在一定程度上提高硅元素的含量可以提高不銹鋼的抗腐蝕性能，加強鈍化膜的保護能力。

鋁元素是一種常用的增強不銹鋼性能的元素，可以有效促進鐵素體的形成，使用微量鋁元素束縛不銹鋼內(nèi)部殘余的氧元素和氮元素，在常溫下使不銹鋼表面形成一層致密的氧化膜。根據(jù)研究表明，在合金鋼中摻雜鋁元素可以形成保護性的腐蝕層，提高材料耐蝕性能和抗氧化能力，提高材料的使用壽命。當添加的鋁元素含量較少時，基體的腐蝕速率并沒有顯著的改變，隨著鋁元素添加量的不斷增加，當鋁元素含量達到一定值時，會使不銹鋼材料在酸性介質(zhì)中的腐蝕速率顯著提高，而且伴隨有選擇性的鐵素體相優(yōu)先腐蝕特征。隨著鋁元素含量的進一步增加，整體不銹鋼材料腐蝕速率增加明顯，不銹鋼材料的耐蝕性能逐漸下降，這是由于鋁含量的增大使得不銹鋼材料鐵素體的含量增多，容易引起微觀區(qū)域成分不均勻的問題，而導致機體腐蝕概率加大。

二、合金化對不銹鋼耐蝕性能的影響

隨著現(xiàn)代工業(yè)和社會經(jīng)濟發(fā)展對材料要求越來越高，人們對材料抗腐蝕性能以及使用壽命的研究也越來越重視。以往的不銹鋼合金化更趨向于單個合金元素的摻雜，隨著材料技術的不斷發(fā)展，很多研究表明合金元素間的協(xié)同作用可以更有效的改善不銹鋼材料的耐蝕性能。研究表明鉬元素和鎳元素在提高合金耐蝕性能方面存在著協(xié)同作用。在活化鐵素體與馬氏體鋼中添加合金元素鋁元素和硅元素，發(fā)現(xiàn)復合添加之后的合金元素可以顯著改善不銹鋼材料內(nèi)部的液態(tài)共晶狀態(tài)，提高材料耐腐蝕性能。首先，鋁元素和硅元素在氧化反應過程中，吉布斯自由能相對較低，可以形成氧化鋁和氧化硅的氧化產(chǎn)物，對不銹鋼材料起到一定的保護作用。同時，鋁元素和硅元素在內(nèi)層氧化層中的富集可以提高氧化層的致密度，富集過程也減緩了合金元素和氧的擴散程度，從而可以顯著改善材料抗高溫能力、抗氧化能力以及抗腐蝕能力。為發(fā)揮其微合金化、凈化、改善材料力學性能、加工性能、耐腐蝕性能等作用，可把稀土元素添加到鋼材中，將稀土資源儲量優(yōu)勢和稀土元素獨特性質(zhì)轉(zhuǎn)化為實際鋼材的性能優(yōu)勢。少量的稀土元素Ce在合金中起到優(yōu)化晶界、降低雜質(zhì)及提高合金耐蝕性能等作用。除此之外，稀土元素Ce利于提高合金耐蝕性的原因在于它能置換出鋼夾雜物里所含的Cr，減少鋼中的貧Cr區(qū)。相關研究中對含稀土雙相不銹鋼的點蝕研究發(fā)現(xiàn)，富Ce稀土加入后，鈍化膜層的電阻值提高兩個數(shù)量級，且稀土的含量越高，材料的鈍化能力越強，抗點蝕性能也明顯提高，在稀土含量為0.028%時效果最好。帶來這一有利變化的主要原因取決于稀土具有較強的脫S能力，降低雜質(zhì)元素在晶界處偏聚的可能性，同時彌散分布的球狀稀土夾雜物減弱了誘發(fā)點蝕的敏感性。

結(jié)束語

綜上所述，不銹鋼憑借其優(yōu)異的耐腐蝕性能在各行各業(yè)有十分重要的應用價值，目前關于不銹鋼耐蝕性能的研究越來越多，相應的工藝手段仍然有提升的空間。本文主要針對不銹鋼耐蝕性能改善過程中主要應用的合金元素進行探討，指出合金化對不銹鋼耐蝕性能的影響，希望能夠不斷優(yōu)化不銹鋼材料的合金化工藝，加強對引入合金元素的定量分析，充分發(fā)揮合金元素在提高材料耐蝕性能中的作用，進一步擴大不銹鋼材料的使用空間。

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