金属与腐蚀介质发生反应而变质的现象称为腐蚀。常见的金属腐蚀有晶间腐蚀、点腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀和缝隙腐蚀等。
1. 晶间腐蚀
晶间腐蚀是不锈钢在特定的腐蚀介质中沿着钢的晶界发生的一种局部选择性腐蚀。如果这种腐蚀发生在金属表面,将形成微裂纹并深入内部,直至引起破断。在某些特定腐蚀介质中(如硝酸、磷酸、硫酸、乳酸、甲酸、氢氟酸和硫酸铜等),就会沿着不锈钢的晶界发生腐蚀。在有应力同时存在的情况下,晶间腐蚀有可能发展为晶间应力腐蚀开裂。为避免晶间腐蚀,一般可选用超低碳((w(C)≤0.03%)奥氏体不锈钢、双相不锈钢和含Ti、Nb稳定化的奥氏体不锈钢。
2. 点腐蚀
点腐蚀又叫孔蚀,是最常见的局部腐蚀形式之一。它是因为金属表面某个局部由于微电池作用,出现一些腐蚀小孔,并向深处发展。在不锈钢表面存在杂质、污物以及缺陷部位钝化膜损坏而生锈或在海水中使用的不锈钢,即会出现点腐蚀(孔蚀)。
点腐蚀的破坏性和隐患性较大。发生点腐蚀时,虽然金属的失重不大,但由于阳极面积非常小,阳极上流过的腐蚀电流密度很大,造成较高的金属溶解速度,严重时可使金属设备穿孔破坏。点腐蚀还会使晶间腐蚀、剥蚀、应力腐蚀开裂和腐蚀疲劳等加剧,在很多情况下是这些局部腐蚀的起源。
为防止不锈钢发生点腐蚀(孔蚀),应选择含高铬、镍、钼、氮的不锈钢,提高不锈钢的纯度并降低不锈钢的不均匀性。选择钝化和钝化能力强的材料是防止不锈钢点腐蚀的有力措施。
3. 缝隙腐蚀
在腐蚀介质的作用下,不锈钢缝隙出现腐蚀,即缝隙腐蚀。缝隙腐蚀一般根据缝隙形状的不同而具有一定的外形。轻微时,缝隙内为一般腐蚀,严重时多为片状点腐蚀或溃疡状。
所有能引起腐蚀的介质都能引起缝隙腐蚀。不锈钢表面若存在金属和非金属夹杂物(金属微粒、灰尘、脏物、砂粒、海生物),或者是结构上的原因,如螺栓联接、铆接、垫片与非金属接触等所形成的缝隙,在这些情况下不锈钢零件若与腐蚀介质接触,便会发生缝隙腐蚀。特别是在氯离子的环境中,缝隙腐蚀最为常见。
不锈钢的缝隙腐蚀主要是因为缝隙内的溶液酸化、缺氧而引起的钝化膜破坏。因此防止不锈钢缝隙腐蚀的有力措施是:选择含高铬、镍、钼、氮的不锈钢,提高不锈钢钝化膜的稳定性和钝化、再钝化的能力,提高不锈钢的纯度,并降低不锈钢的不均匀性。
4. 应力腐蚀
应力腐蚀是不锈钢在持久拉应力(包括外加载荷、热应力及冷加工、热加工或焊接后的残留应力等)和特定的腐蚀介质的共同作用下出现的脆性开裂。它是不锈钢局部腐蚀破坏中最常见、危害最大的一种腐蚀形式。
不锈钢应力腐蚀的特点是出现腐蚀裂缝甚至断裂,裂缝的起源点往往是腐蚀小孔或腐蚀小坑的底部;裂缝扩散有沿晶界、穿晶型和混合型三种,主裂缝通常垂直于应力方向,多半有分枝;裂缝端部尖锐,裂缝内壁及金属表面的腐蚀程度通常很轻微,裂缝端部的扩散速度很快,断口有脆性断裂的特征。导致各类不锈钢应力腐蚀最常见的介质是含Cl-和氧的大气和工业水、海水等,在超过临界值的拉应力(含内应力)和高温共同作用的结果。
引起Cr-Ni奥氏体不锈钢应力腐蚀常见的介质有:
a. 各种氯化物或含氯化物的溶液。
b. 海水、盐水、河水、井水、水蒸气和海洋性大气。
c. 氢氧化物,例如NaOH、KOH的水溶液。
d. 硝酸和硝酸盐;HNO3 +HF和HNO3+HCl+HF的酸洗液。
e. 氢氟酸、氟硅酸和含F-的水溶液。
f. 硫酸和亚硫酸盐;连多硫酸;硫化氢水溶液。
表2-1列出了引起Cr-Ni奥氏体不锈钢腐蚀的介质和条件。
对于应力腐蚀断裂,通常通过正确选材可以予以控制。
a. 在高浓度氯化物中,通常选择镍含量高的不锈钢、高硅Cr-N不锈钢和铁素体不锈钢。
b. 在产生晶间氯化物应力腐蚀的环境中,可选择含Ti、Nb的奥氏体不锈钢(经稳定化处理)、超低碳或控氮奥氏体不锈钢。
c. 在含氯离子的水溶液中,当在低于60℃的低浓度氯离子介质中,无浓缩或富集可选用18-8型、18-12-2型奥氏体不锈钢、Cr18Mo2铁素体不锈钢和18-5-Mo双相不锈钢;在低于60℃的低浓度氯离子介质中(浓缩、富集),可选用Cr18Mo2铁素体不锈钢和18-5-Mo双相不锈钢;在低于60℃高浓度氯离子介质中(有浓缩、富集),可选用Cr27Mo、Cr18Mo2铁素体不锈钢,以及w(Cr)22%~25%并含Mo的双相不锈钢;在60~200℃低浓度氯离子介质中(浓缩、富集),可选用18-5型、22-5型、25-5型双相含Mo不锈钢和高Cr、Mo、Ni不锈钢(Cr20Ni25Mo4.5Cu);在200~350℃低浓度氯离子(浓缩、富集)介质中,可选用Cr20Ni32Fe铁-镍合金、Cr30Ni60Fe10镍基合金。
d. 在含NaOH的水溶液中,当w(NaOH)≤20%,无氯子,沸腾温度≤120可选18-8或18-12-2型奥氏体不锈钢;当w(NaOH)=50%、w(NaCl)=2.5%在85℃的NaOH水溶液中,可选用超低碳18-8型奥氏体不锈钢、Cr26Mo1 铁素体不锈钢等。
e. 双相不锈钢尤其适用于由点腐蚀(孔蚀)引起的应力腐蚀破裂的场合,如022Cr21Ni5Ti、022Cr23Ni5Mo3N等具有优良耐应力腐蚀特性的双相不锈钢。
5. 疲劳腐蚀
疲劳腐蚀是不锈钢零件在腐蚀介质与交变应力的共同作用下发生腐蚀进而引起零件的破损现象。疲劳腐蚀的特点是产生腐蚀坑和大量裂缝,以致金属的机械疲劳极限不复存在;裂缝多半穿晶粒,一般不分枝;裂缝端部较钝;断口大部为腐蚀产物所覆盖,小部呈脆性裂缝破坏。
导致疲劳腐蚀的活性介质有酸性介质、氯化物、含H2S、SO2和O2的气体以及其他能产生腐蚀的介质。
为了防止疲劳腐蚀的产生,不锈钢应具备良好的耐点蚀性能和高强度,因此应选择含Cr、Mo较高的马氏体不锈钢,超级奥氏体不锈钢,以及高铬、钼、氮含量的双相不锈钢,典型的钢号有:015Cr20Ni18Mo6CuN、015Cr24Ni22M7CuN、022Cr25Ni6Mo2N、022Cr25NiMo4N等。
当然在选择不锈钢耐蚀性的过程中,要根据实际情况,分析产生腐蚀的原因,并根据腐蚀特点进行试验,总结出最佳方案再选择耐蚀性好的、经济上合理的、市场上有的不锈钢材料。