文/中心實(shí)驗(yàn)室 宋鵬濤
1. 引言
不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿、鹽溶液或其它腐蝕介質(zhì)中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的合金鋼的總稱。但是不銹鋼的耐腐蝕性能並不是絕對的。不銹鋼包含一般不銹鋼和耐酸鋼,一般不銹鋼指耐大氣、蒸汽和水等弱介質(zhì)腐蝕的鋼,而耐酸鋼指耐酸、堿、鹽等化學(xué)浸蝕性介質(zhì)腐蝕的鋼。一般不銹鋼雖具有不鏽性,但不一定耐酸,而耐酸不銹鋼一般具有不鏽性。
不銹鋼自20世紀(jì)初發(fā)明以來,以其獨(dú)特的耐腐蝕性能,作為一種新型功能性材料、現(xiàn)代結(jié)構(gòu)材料在現(xiàn)代工業(yè)和科技進(jìn)步中,具有舉足輕重的作用。不銹鋼是用以製備具有抗腐蝕要求的設(shè)備等極其重要的金屬材料。304和316型不銹鋼具有高合金化、高純化、 高性能的特點(diǎn),是鎳基合金和鈦的代用材料,廣泛應(yīng)用於石油化工、輕工業(yè)、醫(yī)藥、宇航以及海洋開發(fā)等工業(yè)部門,並取得了 良好的效果。
近些年來,304和316型不銹鋼被廣泛應(yīng)用於鐘錶行業(yè),尤其是腕表,主要做為錶殼、錶帶、表扣等的重要材料,其性能的好壞, 直接影響著手錶的品質(zhì)和品位,因此,研究不銹鋼的腐蝕機(jī)理,對於指導(dǎo)不銹鋼類手錶產(chǎn)品的正確使用,具有一定的意義。
2. 不銹鋼的耐腐蝕機(jī)理
不銹鋼按組織結(jié)構(gòu),分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼等。304和316屬於奧氏體不銹鋼,奧氏體不鏽 鋼有著優(yōu)良的機(jī)械性能和耐腐蝕性能,是不銹鋼中最重要的一類鋼。
2.1 不銹鋼的鈍化膜理論
不銹鋼耐腐蝕性的基本原因(機(jī)理)是鈍化膜理論。所謂鈍化膜就是在不銹鋼的表面有一層以Cr2O3為主的薄膜。 這個(gè)膜使不銹鋼基體在各種介質(zhì)中的腐蝕受阻。鈍化膜的形成有兩種情況:一種是不銹鋼本身就有的自鈍化能力,這種自鈍化能力隨鉻含量的增加而加快;另一種較廣泛的形成條件是不銹鋼在各種水溶液電解質(zhì)中,在被腐蝕的過程中形成鈍化膜而使腐蝕受阻,當(dāng)鈍化膜被損壞後,立即又可形成新的鈍化膜。
2.2 不銹鋼的穩(wěn)定化元素
不銹鋼的應(yīng)用環(huán)境是極其複雜的,單純的氧化鉻鈍化膜還不能適應(yīng)高耐蝕性的要求。因而跟據(jù)使用條件的不同還需要在鋼中加入鉬、 銅、氮等元素,以改善鈍化膜的組成,進(jìn)一步提高不銹鋼的耐蝕性。添加鉬可以使腐蝕產(chǎn)生MoO-2基體,,而強(qiáng)烈促進(jìn)基體的鈍化, 阻止對基體的腐蝕;添加銅可使不銹鋼表面鈍化膜中含有了CuCl,因它與腐蝕介質(zhì)不發(fā)生作用而提高耐蝕性;添加氮,由於鈍化 膜中富集Cr2N,使鈍化膜中鉻濃度提高,因而提高不銹鋼的耐蝕性。
3. 不銹鋼腐蝕機(jī)理
不銹鋼的腐蝕過程存在各種形式,由於各種不同因素的影響,影響不銹鋼腐蝕的因素分為外部因素和內(nèi)部因素。外部因素包括介質(zhì)的組成、溫度、壓力、pH值、材料的受力情況等;內(nèi)部因素包括材料的化學(xué)組成、晶體形態(tài)、表面結(jié)構(gòu)等。
3.1 不銹鋼的應(yīng)力腐蝕
在較大的應(yīng)力作用下,金屬材料的原子處於不穩(wěn)定的高能狀態(tài),在特定的腐蝕介質(zhì)作用下,原子容易失去電子而使材料遭受腐蝕, 進(jìn)而發(fā)生脆裂,即產(chǎn)生微裂紋;由於微裂紋的應(yīng)力集中效應(yīng),使材料的脆裂得以快速擴(kuò)大,最終導(dǎo)致材料斷裂,腐蝕機(jī)理見圖1。
圖1.不銹鋼的應(yīng)力腐蝕機(jī)理 3.2 不銹鋼的點(diǎn)腐蝕
點(diǎn)腐蝕是在某個(gè)特定部位,腐蝕集中,呈坑狀侵蝕的腐蝕現(xiàn)象。在腐蝕性的環(huán)境中,形成蝕坑可能改變材料的活化或者鈍化狀態(tài)。 點(diǎn)腐蝕發(fā)生的條件是:(1)存在局部破壞保護(hù)膜的氯離子;(2)存在易溶于水的非金屬夾雜物等缺陷。
氯離子的存在對不銹鋼的鈍態(tài)起到直接的破環(huán)作用,在有氯離子存在的環(huán)境下,既不容易產(chǎn)生鈍化,也不容易維持鈍化。研究表明 ,316不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能明顯優(yōu)於304不銹鋼,原因是316不銹鋼中添加了耐點(diǎn)蝕合金元素Mo。
圖2.不銹鋼的點(diǎn)腐蝕機(jī)理 3.3 不銹鋼的間隙腐蝕
間隙腐蝕是在法蘭部以及疊合焊接部位等結(jié)構(gòu)上的間隙,以及粘附、沉澱物等間隙部發(fā)生腐蝕。該部分在間隙內(nèi)的溶解氧不足,該部分在間隙內(nèi)的溶解氧不足, 隨著時(shí)間的推移而不能維持鈍態(tài)而產(chǎn)生腐蝕,在與點(diǎn)腐蝕同樣機(jī)理下產(chǎn)生腐蝕。該腐蝕與點(diǎn)腐蝕相比,即使在溫和的環(huán)境條件下 亦產(chǎn)生,腐蝕機(jī)理見圖3。
圖3.不銹鋼的間隙腐蝕機(jī)理 4. 不銹鋼的防護(hù)措施
不銹鋼的耐蝕性是有條件的,一個(gè)牌號的不銹鋼在某一介質(zhì)中是耐腐蝕的,但在另一介質(zhì)中可能會遭到破壞。同時(shí)不銹鋼的耐蝕 性也是相對的,到目前為止,沒有一種不銹鋼在所有的環(huán)境中都是絕對不腐蝕的。
(1)手錶外觀件不銹鋼部分,降低其表面粗糙度,表面粗糙度越小,耐腐蝕性越好;
(2)在304和316不銹鋼的使用過程中,儘量避免接觸酸、堿等腐蝕性化學(xué)藥品;
(4)在不銹鋼外觀件上鍍覆惰性金屬元素,如金等貴重金屬,可以阻止不銹鋼的緩慢腐蝕,但是必須防止不銹鋼表面產(chǎn)生劃痕,一旦產(chǎn)生劃痕,劃痕部位更容易堆積腐蝕元素,加速不銹鋼的腐蝕。
5. 結(jié)束語
304和316不銹鋼作為極為重要的奧氏體不銹鋼,同時(shí)作為一種綠色環(huán)保材料,其生產(chǎn)量和使用量占不銹鋼總產(chǎn)量與用量的70%以上, 廣泛應(yīng)用於各個(gè)行業(yè)。近些年,鐘錶行業(yè)普遍使用304和316不銹鋼製造手錶各個(gè)外觀件及配件,其需求量隨著不銹鋼製造技術(shù)的 不斷發(fā)展,使用量已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)的銅和鎢鋼的使用量,並呈逐年上升的趨勢。但是由於手錶使用人群和使用環(huán)境的差異, 不銹鋼配件的耐腐蝕性能,在經(jīng)受著不同惡劣環(huán)境的考驗(yàn)。因此,對不銹鋼腐蝕機(jī)理和防護(hù)措施的深入研究,以及新型不銹鋼材料 的開發(fā)應(yīng)用勢在必行。