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合金元素含量对316不锈钢耐点蚀性能影响

来源:至德钢业 日期:2019-10-13 02:45:40 人气:250

点腐蚀是奥氏体不锈钢的常见局部腐蚀形式,会严重影响奥氏体不锈钢的性能和使用。选取4组不同化学成分的316不锈钢板试样,10%三氯化铁溶液中进行点腐蚀试验。检测了点蚀坑的宏观形貌和腐蚀速率,通过SEMEDS检测了腐蚀坑微观形貌以及点蚀坑邻近区域的合金元素分布,分析了主要合金元素对316不锈钢耐点蚀当量的影响规律。结果表明:Cr元素对316不锈钢在氯离子介质中的耐点蚀性能有着显著的有利影响,Mo元素含量的增加可以提高316不锈钢的耐点蚀性能,Mn元素会降低316不锈钢在氯离子介质中的耐点蚀性能。根据试验结果,提出了考虑Mn元素不利影响的修正耐点蚀当量PRE计算公式。

奥氏体不锈钢的高耐腐蚀性主要归功于其表面形成的钝化膜,即钝化膜理论。该钝化膜主要成分为铁与氧化铬的混合物。钝化膜覆盖在不锈钢表面从而隔绝了奥氏体不锈钢与腐蚀环境的接触,使得不锈钢基体的腐蚀受阻[1-3]。然而这种由于钝化膜的存在而产生的耐腐蚀性很大程度上取决于不锈钢基体所接触的环境条件与基体所含成分[4,5]。众所周知,合金元素Cr对奥氏体不锈钢在氯离子腐蚀环境中的耐点蚀性能有明显的改善效果。Cr作为不锈钢钝化膜的重要构成元素,其含量的增加会提高不锈钢的耐腐蚀性能。Mo作为不锈钢中的主要合金元素之一,其对氯离子腐蚀环境下耐点蚀性能的有利影响已有诸多详细研究[6]Ameer[7]研究发现Mo元素会通过生成钼酸盐的形式改变钝化膜的极性。Tobler[8]Clayton[9]等研究表面MoOn-的存在改变了阴离子与阳离子的选择性,导致了O2-的迁移并形成了Cr2O3,从而使得钝化膜更为稳定,Cl-难以渗入形成开裂。Wegrelius[10]研究表明不锈钢中的Mo元素会减少晶核与亚稳态点蚀坑的数量和尺寸,增加形成稳定腐蚀孔的可能性。此外,Wegrelius[11]同时发现不锈钢中Mo元素会生成Mo的氯化物和MoO2-4,从而促进再钝化过程。Sugimoto[12]认为MoO2-4在点蚀孔的吸附会抑制点蚀源的早期发展。而另一种合金元素Mn的存在会导致不锈钢中生成MnS夹杂相。MnS作为点蚀开裂源,会导致不锈钢的耐点蚀性能下降。Stewart[13]通过研究发现这些夹杂相会影响亚稳态点蚀孔的寿命,而影响程度与夹杂相的尺寸大小有密切关系。Webb[14]也指出夹杂相的形状、成分和分布也会对亚稳态点蚀孔的寿命产生影响。为了定量评价不锈钢耐点蚀性能与化学成分之间的关系,研究人员提出了一些不锈钢合金成分与其耐腐蚀性间联系的经验公式。其中,耐点蚀当量PRE(Pittingresistanceequivalent)是目前较为常用的用于定量判断不锈钢耐腐蚀性能的当量之一。然而目前耐点蚀当量PRE的计算公式往往只涉及最主要的Cr,Mo,N等元素的含量,其他诸如Mn元素的影响并未纳入计算公式[15],因此在工程中耐点蚀当量的应用会受到一定的限制。笔者选取4316不锈钢板材试样,在三氯化铁溶液中进行点腐蚀试验。通过OM,SEMEDS等检测方式分析了316不锈钢主要合金元素Cr,Ni,Mn,Mo对其耐点蚀性能的影响,并以此提出对点蚀当量PRE计算公式的修改建议。

1试验材料和试验方法

1.1试验材料

试样材料选自4组不同化学成分的316不锈钢板材,试样的合金元素质量分数见表1

1.2试验方法

4组奥氏体不锈钢板材加工成尺寸为30mm×20mm×2mm的试样。试样表面经过机械打磨,然后手工抛光至表面粗糙度Ra1.6以上,如图1所示,最后将试样放在丙酮中清洗、烘干备用。参照GB/T178972016《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》标准,进行三氯化铁点腐蚀试验。实验前将试样进行清洗、干燥处理,TG328A光学读数分析天平称重,精确到1mg。配制质量分数10%的三氯化铁试验溶液,要求每平方厘米试样表面积所需的试验溶液控制在20mL以上。试验时,溶液温度保持35,连续浸泡5h,每次试验结束后,取出试样,清除试样表面腐蚀产物,洗净、干燥后称重。通过试样的腐蚀坑数量与最大直径来定量评估各组试样的宏观表面形貌。借助塑料网格统计腐蚀坑数量以确定各组试样的腐蚀坑密度。将塑料网格覆盖在5mm×5mm的金属表面,统计并记录该网格视域内的腐蚀坑数量,然后依次移动网格进行测量,直至所有表面都被覆盖。通过网格记数可以保证在不错过感兴趣区域的同时有效地减小用眼强度。对于直径较大的腐蚀坑,将其剖开后观察真实形貌,从而确定该腐蚀坑的直径。

试样耐点蚀性能可以用腐蚀速率表示,腐蚀速率v计算公式为v=G1-G2S×t(1)式中:G1为试验前试样的质量,g;G2为试验后试样的质量,g;S为试验试样总面积,m2;t为试验时间,h

2试验结果

2.1点蚀孔宏观形貌

腐蚀后的试样表面宏观形貌如图2所示,2中可以观察到腐蚀坑的密度、尺寸和形貌。测量并统计各组试样腐蚀坑的数量与直径,结果如图3所示,从图3可以看出:经过5h点蚀试验后A,B,C,D4组试样表面均出现了腐蚀坑,试样A出现数个较浅的腐蚀坑,其中较大的腐蚀坑的孔径达1.5mm,较小腐蚀坑的孔径为1.2mm。试样B出现大量的腐蚀坑,但深度较浅,其中最大的腐蚀坑孔径达1.4mm,较小的腐蚀坑孔径达0.6mm

试样C出现更为密集且深度更大的腐蚀坑,较大的腐蚀坑孔径可达1.4mm。试样D点腐蚀最为严重,出现大量的腐蚀深孔,最大腐蚀坑孔径达2.5mm,较小的腐蚀坑孔径也有2mm,且腐蚀坑深度较大。比较4组试样的点蚀坑形貌,发现试样D的点蚀坑数量和深度均大于其他3组试样。

2.2腐蚀速率

根据腐蚀前后试样的重量变化,采用式(1)可以计算每组试样的腐蚀速率,结果见表2。腐蚀速率数值主要用于评判材料耐均匀腐蚀性能,同时也可以在一定程度上反映材料耐点蚀的能力。从腐蚀速率数据看,A试样腐蚀速率最小,B试样其次,CD试样腐蚀速率明显高于AB

2.3点腐蚀SEM形貌和能谱

通过捷克TESCANVEGA3SBH型扫描电子显微镜观察,4组试样腐蚀坑的微观形貌如图4所示。为了分析主要合金元素对点腐蚀性能的影响,分别选取腐蚀坑周边3个位置进行能谱分析,结果如图5所示。其中,区域1316不锈钢未发生点蚀的区域,区域2为腐蚀坑边缘,区域3为腐蚀坑中心内壁。经能谱分析后,试样各区域的Mn,S元素含量见表3,4。由表3,4可见:在未发生点蚀的区域Mn元素含量较高,S元素含量较低;而在腐蚀坑边缘和腐蚀坑中心区域则刚好相反,Mn元素含量较低,S元素含量较高。

3结论

对化学成分存在差异的4316不锈钢在10%三氯化铁溶液中进行了点腐蚀试验,4组试样的耐点蚀性能呈现出明显差异。通过失重率来衡量各组试样在三氯化铁溶液中的腐蚀速率,并对各组试样进行了SEM形貌观测与能谱分析,探讨了各主要合金元素对316不锈钢的点蚀性能影响,结果发现:Cr,Mo元素含量的增加能有效提高316不锈钢在三氯化铁溶液中的耐点蚀性能,降低腐蚀速率;Mn元素会以MnS的形式作为夹杂相存在,促使点蚀的发生和发展,从而降低316不锈钢的耐点蚀性能。最后根据点蚀试验结果,提出了改进的PRE计算式。该计算式中加入了Mn元素的影响,同时调整了Cr,Mo元素对耐点蚀性能影响的权重。

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