不锈是针对钢铁易锈蚀而提出的。是在普钢应用的基础上,钢材锈蚀为普遍现象,造成钢铁设施不断地减重和使去力学性能而报废。防止钢材锈蚀提出不锈方法的概念,从铁的应用开始,防止锈蚀的技术伴随同生,不断创新,保存有几千年的防锈实物呈现到今天,却防锈技术却失传,为此感叹但还得继续。普钢生锈的现象分析;普钢的化学成分是铁(Fe)和碳(C)的最简单最经济的组合,由于铁-碳金属中的铁元素与空气中活泼的氧气接触,发生化学反应生成氧化物(FeO)这一层氧化物叫亚铁,不稳定状态,氧化铁继续氧化生成(Fe3O4),再氧化生产稳定(Fe2O3)。在普钢表面是由以上三种结构的氧化物组成,年统计钢铁的锈蚀损耗达到10%,而且氧化铁物质是分散得不到回收条件,造成很大的经济损失和资源浪费,不利益经济的持续发展,研究不锈的方法层出不穷,有涂防锈漆的、有电镀合金的、有涂塑的、再是材料本身是不锈材料的。
只有不锈材料是环保而节约资源的有效方法。但不锈又是相对的,是相对于普碳钢材而言的,是有条件的。不同的环境、不同的介质、不同的时长,不锈钢同普碳钢一样会锈蚀。所以不锈钢不是不锈,而是相对不锈。是在铁-碳合金中增加铬的元素,为铁-碳-铬三元素结合的金属,将碳稳定在0.2%的含量时,铬的含量增加到12.5%(原子量百分比12.5,重量百分比为11.6)时,呈现出不锈性(在干燥空气中不被锈蚀)。钢中铬低于12.5%时,一般称为合金钢,相对易锈蚀。增加铬的含量,防锈能力增强。而稳定铬含量12.5%时,增加碳含量,防锈能力下降,降低碳的含量,防锈能力增强。不锈钢必须含铬元素而铬含量最低不小于12.5%时才能称此钢材为不锈钢。这是根据铬使铬-铁合金的电极电位提高,铬含量在1/8、2/8、3/8---原子比时,铁-铬合金电极电位呈跳跃式提高,叫n/8定律,也就是合金的电极电位从负电位变为正电位。不锈钢只能在常态下对空气中的氧产生过敏而钝化呈现出不锈性,但对一般的酸、碱、盐介质的耐蚀性能力差别很大。正因如此,不锈钢在不锈的基础上针对各种介质和环境,利用自然界存在的金属元素(74种)和非金属元素(17种)根据各种用途进行二元系、三元系和多元系研究,不锈钢出现了满足不同要求的很多钢种,如耐酸不锈钢06Cr19Ni10(304)等钢种。没有铬元素或铬元素小于12.5%的其它金属只能称合金钢和合金材料。
一、不锈钢的腐蚀
不锈钢也有腐蚀,如在高温下,表面被氧化形成氧化皮,这是不争的事实。金属腐蚀分两方面发生,一是化学腐蚀,二是电腐蚀。金属在高温下产生的腐蚀叫化学腐蚀,金属在常温下产生的腐蚀叫电腐蚀。化学腐蚀叫均匀腐蚀,电腐蚀叫局部腐蚀。
1. 化学腐蚀
金属高温腐蚀这是常知。只不过不锈钢与普钢的腐蚀程度不一样。不锈钢能承受更高的温度,如1Cr13(410)的氧化温度在500℃~600℃;1Cr17(430)的氧化温度在600℃~700℃;而0Cr18Ni8(304) 的氧化温度在800℃~900℃;普钢的氧化温度却只有200℃~300℃。不锈钢的腐蚀程度随温度升高而严重,普钢的腐蚀是随时间而严重。不锈钢表面生成的氧化皮反而阻止再氧化,普钢生成氧化皮加重氧化。当然,人们要问,那么在常温呢?普钢在无防护腐蚀措施的保护下也要被空气中的氧腐蚀掉。不锈钢的常温腐蚀要复杂得多,不仅与氧有关,也与组织、内部夹杂、内部应力以及热处理状态有关、还与环境介质有关。下面要谈到是电化学腐蚀。
2. 电化学腐蚀
前面谈到不锈钢在高温状态下产生的腐蚀现象。接下来说一说常温状态下的不锈钢的腐蚀现象。要知道,温度对不锈钢的耐氧化有很大关系,因为,不同性质的不锈钢其表面氧化温度是不一样的,所以,正确选取不锈钢应考虑在什么温度下使用,再去考虑其它方面的性能和要求。说到这里,应该对不锈钢有了一点了解,不锈钢的不锈性是有条件的。那么,电化学腐蚀是如何发生的呢?首先,应知道,物质世界的元素和组成的化合物,都具有不同的电极电位(电极势),也就是说,不同的物质之间存在着电极势,一旦有溶液或电解质充实两物质之间,创立了电池回路,形成微电流。这就说,电腐蚀是一种普遍的现象。
a. 点腐蚀产生有的因素
①. 不锈钢表面夹杂:表面存在有氧化物、硫化物、硅酸盐等夹杂,如果表面再遇到水溶液附带上面,水在两物质之间电解,有微电流产生,水电解为氢离子和氢氧离子,而氢氧离子与铬可发生化学反应,变成氢氧化铬而腐蚀。
②. 不锈钢表面粗糙面:表面存在麻坑或麻面等粗糙的表面。粗糙的表面容易存积空气中的悬浮微粒(灰尘),而灰尘又吸附空气中的水份,于是,水份的存在,水份在两物质之间的电极电位的作用下电解,分解出氢离子和氢氧离子,氢氧离子与铬反应而腐败蚀。
③. 氯离子环境:不锈钢表面处于有氯离子的气氛中时,氯离子选择性破坏表面钝化膜,选择性是因为不锈钢表面存在有夹杂、粗糙点、成分偏析和力学性能差异,氯离子本就是电解质,氯离子与氧可生成次氯酸,氢氧离子与铬反应生成氢氧化铬,钝化膜一旦被破坏就会出现腐蚀集中,也称孔蚀。
b. 组织腐蚀:
组织腐蚀也称晶间腐蚀。奥氏体不锈钢或奥氏体与铁素体双相钢中,钢中的碳元素随加热溶解于奥氏体中,如在热轧制过程中,钢被加热到1000-1200℃,碳元素开始于900℃溶解于奥氏体中,1050℃碳元素基本完全溶解于奥氏体中。但在冷却过程中,碳又从奥氏体中被析出,并在晶间处与铬元素化合,成为Cr23C6的碳化物。使晶间处的铬含量减少,造成贫铬现象,也就使去防锈的功能。
c. 应力腐蚀:
不锈钢热轧变形、冷拔变形、冷轧变形和热处理过程中,钢基内部残余应力将造成通条性能不均。特别是冷变形表面,因晶格奇变,容易受外部环境影响(如摩擦、划伤、碰撞和浸蚀受到腐蚀集中)和附加应力叠合大于晶间原子力时被破坏。
二、不锈钢的耐腐蚀性能
马氏体<铁素体<镍-铬奥氏体
这里特别提到奥氏体不锈钢分高镍、低镍和无镍奥氏体不锈钢。其不锈性能有:
无镍奥氏体<低镍奥氏体<高镍奥氏体
——马氏体是因为钢中铬含量为13%左右,并有碳含量为0.1%~0.4%的范围变化。就是说碳含量较高,而碳元素在不锈钢中是降低耐锈性能的,所以防锈性是随碳含量增加而下降。再来谈谈,马氏体不锈钢。人们常称马氏体和铁素体为铬不锈钢,还有称为铬铁钢。其实马氏体不锈钢与铁素体不锈钢有很大区别的,一是形成机理不一样;由于钢中碳元素是奥氏体形成元素。马氏体在高温区为奥氏体组织,冷却到低温(常温)为马氏体组织,也就是说,马氏体不锈钢有相变发生。根据冷却的方式和冷却速度,可得到淬火工艺有不同的硬度和强度性能,但塑性很低,冷变形较差,变形后容易自裂,需及时退火消除应力处理。所以说,马氏体不能冷变形后交货。
——铁素体不锈钢铬含量提高到17%以上或碳含量降到0.08%以下时,其内部组织为铁素体在高温到低温不发生相变,随着铬元素含量的增大,防锈蚀能力也增强,但铁素体不锈钢变形硬化率很低,变形应力也低。不能用冷变形提高强度值,反而降低了塑性,使铁素体不锈钢变脆如受力而自裂。再是铁素体不锈钢有低温脆性,不能适用于常温以下(特别是东北地区的冬季)的装置,还有475℃脆性的温度下,所以使用范围较窄,造成使用上的限制。如果将铁素体碳含量降低到0.001%以下,再将钢中的氮元素降到0.001%以下,而低温脆性可降到-80℃以下,发挥出无镍和防锈的优越性。