含氮不銹鋼在不同溫度下的電化學腐蝕行為研究

杭博 王永霞 魏飛虎 卞小龍 張濤 汪國成

摘? 要：通過極化曲線研究了含氮不銹鋼在不同溫度下在3.5%NaCl溶液中的腐蝕行為。結果表明，試樣在20℃-30℃時在金屬表面易于形成難溶化合物，產生鈍化現象。隨著溫度的升高，點蝕電位降低，電流密度顯著增大，鈍化膜變得不穩定，材料的耐腐蝕能力急劇下降。

關鍵詞：含氮不銹鋼;極化曲線;點蝕;電流密度;鈍化;Cl-;耐蝕性能

中圖分類號：TG151.1 文獻標志碼：A? ? ? 文章編號：2095-2945（2019）27-0029-03

Abstract： The corrosion behavior of nitrogen-containing stainless steel in 3.5%NaCl solution at different temperatures was studied by polarization curve. The results show that the sample is easy to form insoluble compounds on the metal surface at 20℃-30℃， resulting in passivation. With the increase of temperature， the pitting potential decreases， the current density increases significantly， the passivation film becomes unstable， and the corrosion resistance of the material decreases sharply.

Keywords： nitrogen-containing stainless steel; polarization curve; pitting corrosion; current density; passivation; Cl-; corrosion resistance

引言

由于不銹鋼具有優異的力學性能和耐腐蝕性能，對其性能和應用的研究一直是科技人員關注的重點，近年來，氮作為不銹鋼的合金化元素之一已日益受到重視，在鋼中加入氮可以提高不銹鋼的強度和耐蝕性，使得不銹鋼質量升高，成本降低[1]。氮在鋼中作為間隙原子能與Cr，Mn，Ti，Mo和V等合金元素共同作用，提高鋼力學性能、耐蝕性能、抗蠕變性能和耐磨損性能[2]。另外，氮作為改善耐蝕性的元素可以消除蝕孔內產生的H+，抑制pH值降低，減緩點蝕速率，降低金屬離子從基體的溶出速度，改善不銹鋼局部腐蝕性能[3-4]。含氮鋼作為一種性能優良、節約資源的新型鋼鐵材料，正日益受到科技工作者的青睞。雖然含氮鋼具有優良的耐蝕性能，但溶液溫度對含氮不銹鋼在含Cl-溶液中的電化學行為的研究卻鮮有報道。開展含氮不銹鋼不同溫度下耐蝕性能的研究，對于開發新材料，預防突發事故具有重大意義。

1 實驗方法

實驗采用316L不銹鋼、鉬鐵、Ni板、金屬Cr和氮化鐵等原材料，在中頻感應爐中熔煉，澆注后試樣的化學成份如表1所示。

采用SX-10-13型箱式電阻爐將試樣進行1180℃保溫2小時后水冷的固溶處理。試樣采用Murakami試劑刻蝕，在型號為Olympus XJP-300的光學電子顯微鏡上觀察其顯微組織。采用CHI650C電化學工作站進行極化曲線測試，采用典型的三電極體系，輔助電極為Pt電極，參比電極為飽和KCl甘汞電極（SCE）。腐蝕介質為3.5%NaCl溶液，溶液溫度采用恒溫水浴控制，水浴溫度分別設置為20℃，30℃，40℃和60℃，初始電位為-800 mV，以5mV/s的速率向陽極掃描，至1200mV結束。

2 實驗結果與討論

2.1 材料的組織

圖1為試樣經1180℃固溶處理后的顯微組織。灰色基體組織為鐵素體組織，白色無規則圓塊組織為奧氏體組織，組織中未觀察到其他新相。采用EDS 分析鉻、鉬和鎳元素在鐵素體、奧氏體相中的含量，并采用合金元素分配系數KM來表示合金元素在兩相中的分布，鉻、鉬和鎳元素的分配系數分別為1.21、1.52和0.68。鉻是形成鐵素體的主導元素，由鉻的分配系數1.21可知鐵素體相中含有很高的鉻，鉬元素對形成鐵素體相不起主導作用，鉬在鐵素體相的含量較高，鉬在高溫下其擴散能力比鉻元素強，鉬會向奧氏體相擴散。鎳是強奧氏體形成元素，由鎳的分配系數0.68可知，鎳在奧氏體中的含量遠遠大于鐵素體中的含量。

2.2 溫度對含氮不銹鋼耐蝕性能的影響

圖2為含氮不銹鋼在3.5%NaCl溶液中在不同溫度下的極化曲線，由圖可知，所有曲線均存在四個區：活性溶解區（曲線ab部分），在該區間試樣的溶解速度隨電位變正而逐漸增大，這是正常的陽極溶出，不銹鋼在活性溶解區發生溶解;鈍化過渡區（曲線bc部分），當電極電位到達某一臨界值時，不銹鋼表面狀態發生突變，開始在表層形成一層鈍化保護膜，隨著電極電勢增大，電流急劇下降，不銹鋼開始鈍化;鈍化區（曲線cd部分），不銹鋼以維持鈍態的電流密度的速率溶解，電極電勢基本不增大，此時不銹鋼表面生成一層電阻高，耐腐蝕的鈍化膜;過鈍化區（曲線的de部分），電流密度隨電極電勢的正移而增加，在這個區間鈍化膜變得不穩定、發生破裂、溶解或者轉變成可溶性的氧化物進行陽極反應，不銹鋼開始快速溶解。由圖2可知，所有試樣都存在明顯的鈍化平臺（cd段），在20℃時，試樣的鈍化區寬度比較寬，大約1.2V，隨著溫度的升高，試樣的鈍化區寬度變窄，當溫度升到60℃時，試樣的鈍化區寬度急劇變窄，大約為0.5V，所有試樣在不同溫度下均出現鈍化平臺，表明試樣在3.5%的NaCl溶液中具有較好的鈍化性能，試樣在低溫時，維持鈍化的區間較寬。極化曲線過了d點后，腐蝕電流密度急劇上升并不斷增大，d點電位為試樣的點蝕電位Eb，此時試樣表面發生了穩態點蝕。試樣在20℃時的點蝕電位為1.2V，30℃時為1.1V，40℃時為1V，在60℃時的點蝕電位為0.3V，由此可見，隨著溫度的升高，點蝕電位逐漸降低，點蝕電位Eb降低，說明試樣發生點蝕的傾向增大，與20℃溫度下試樣的Eb相比，60℃下Eb降低最多，降幅高達0.6V，其次是40℃和30℃。Eb為點蝕發生的可能性和傾向性提供了評價依據，點蝕電位為在鈍化金屬表面上能引起點狀腐蝕的最低電位值稱為點蝕電位。由此可知，隨著溫度的升高，不銹鋼發生點蝕的可能性和傾向增大。

表2為由極化曲線計算出的腐蝕電流密度數據，由表可知，隨著溶液溫度的升高，腐蝕電流密度升高，在20℃溫度下，試樣表面的腐蝕電流密度Icorr值最小，僅為0.834μA·cm-2，試樣在20℃溫度下的耐蝕性最好，在60℃溫度下Icorr值最大，為2.836μA·cm-2，試樣在60℃下的耐蝕性最差，由此可知，隨著溶液溫度的升高，試樣的耐蝕性能下降，這是由于在中性水溶液中，氧是重要的去極化劑，不銹鋼的腐蝕主要是以氧為去極化劑的吸氧反應，同時受擴散控制[5]。一方面，溶液溫度升高，Cl-離子的運動速度增大，使得Cl-離子能侵入不銹鋼表層的深度增大，另一方面溫度升高，氧在水中的溶解氧降低，使得受到破壞的鈍化膜不能再次被鈍化。氧的溶解量、溶液中離子的運動速度、溶液溫度是影響不銹鋼表面腐蝕電流密度的主要因素，溫度越高，溶解氧含量越低，溶液中離子運動速度越快，試樣表層腐蝕電流密度越大，材料的耐蝕性越差。試樣在20℃、30℃和40℃溶液中時， H2O和O2容易在氧化膜上吸附，試樣的鈍化膜完整，當溫度升高至60℃時，試樣從活化區（曲線bc部分）之后直接進入鈍化區，且鈍化區間很短，在0.1V左右發生點蝕，溫度升高，點蝕電位越低。另外，溫度的升高導致的溶解氧含量下降進而降低了鈍化膜表面微觀區域的pH值，影響鈍化膜的穩定性。溫度越高，Cl-離子活動能力增強，與表面鈍化膜的碰撞幾率越大，可以把鈍化膜中的氧排擠掉，與鈍化膜中的陽離子結合形成可溶性的化合物，誘發點蝕，使鈍化膜對機體的保護作用減弱[6]。由此可知，溫度對不銹鋼表面鈍化膜形成有很大的影響，一般而言，鈍態不銹鋼表面的鈍化膜處于不斷溶解和修復的平衡狀態。在含有Cl-的溶液中，Cl-一般優先吸附在鈍化膜上，把氧原子排擠掉，和鈍化膜中的陽離子結合成可溶性氯化物，新露出的金屬基底則形成點蝕源，進一步發展為點蝕坑，溫度的升高提高了Cl-的吸附，使得不銹鋼鈍化膜的穩定性受到破壞[7-8]，材料的耐蝕性急劇下降。

3 結論

本文采用電化學工作站測試了含氮不銹鋼在20℃-60℃溫度下在3.5%NaCl溶液中的耐蝕性能。結論如下：

（1）隨著溶液溫度的升高，試樣的腐蝕電位逐漸降低，試樣發生腐蝕的傾向增大。

（2）試樣的腐蝕電流密度隨著溶液溫度升高而增大，材料的耐蝕性能下降。

（3）試樣在較低的溶液中，在表層易于形成難溶化合物，產生鈍化現象;隨著溫度的升高，溶液中氧含量降低，Cl-離子運動速率增大，不銹鋼表面的反應變得劇烈，材料的耐腐蝕能力急劇下降。

參考文獻：

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