201与304不锈钢管的耐腐蚀性能比较

304型铬镍奥氏体不锈钢因其优良的耐蚀性、成型性等特性广泛应用于家庭用品、建筑材料、汽车零部件、化学和食品工业等领域,是应用最广泛的钢种。为了节省稀缺的镍资源,人们开发了200系列奥氏体不锈钢以及400系列铁素体不锈钢等节镍型钢种。200系列奥氏体不锈钢由美国于20世纪50年代研制,目前,美国拥有完整的200系列奥氏体不锈钢体系,有21个200系列奥氏体不锈钢牌号列入美国ASTM标准[1]。200系列奥氏体不锈钢在我国亦称为铬锰系不锈钢或锰系不锈钢或高锰低镍奥氏体不锈钢,主要牌号有201不锈钢管和202不锈钢,但是国内市场上的201不锈钢管和202不锈钢大多数是在美国ASTM标准基础上经过成分调整的镍含量更低的不锈钢。400系列铁素体不锈钢属于铬系不锈钢,钢中不含镍,具有较好的成本优势,并且具有耐氯化物应力腐蚀、耐海水局部腐蚀等特性。铁素体不锈钢早期由于钢中C、N等间隙元素含量高,具有缺口敏感性高、对晶间腐蚀敏感等缺点[2],限制了铁素体不锈钢的应用,2003年我国铁素体不锈钢的产量还不到20万t。但随着不锈钢精炼技术的发展,铁素体不锈钢的上述缺点和不足得到了一定程度的克服并开发了许多新的可焊性能好、加工性能及耐腐蚀性能优良的铁素体不锈钢,如439、443和444不锈钢等。由于消费者对铁素体不锈钢的传统认识,使得铁素体不锈钢的应用受到了限制。为此本工作对200系列奥氏体不锈钢、400系列铁素体不锈钢与304不锈钢在一定介质中的耐腐蚀性能差异进行了研究。

1试验材料和方法

1.1试验材料

200系列奥氏体不锈钢、400系列铁素体不锈钢以及304不锈钢试样均为市售不锈钢冷轧薄板。试验材料的化学成分如表1所示。

1.2试验方法

试验采用不锈钢点蚀电位测量方法(GB/T17899-1999),用PrincetonAppliedResearch生产的PARSTAT2273电化学工作站进行动电位极化曲线测量。试验采用标准三电极体系:辅助电极采用铂电极,参比电极采用饱和甘汞电极(SCE),工作电极为不锈钢试样。电极试验面积为1cm2,非试验面用环氧树脂封装。试验前试样经水砂纸逐级打磨至800目,丙酮除油并用去离子水冲洗。动电位极化曲线在3.5%NaCl溶液中进行,极化扫描速率为50mV/min,阳极电流密度达到0.001A/cm2时停止极化。每组试验至少三个平行试样,每条曲线测试完毕后,取出试样用放大镜检查有无缝隙腐蚀发生,若有发生,则舍去测量值。文中电位值均相对于SCE。盐雾试验按中性盐雾试验标准(GB/T10125-1997)执行,溶液为5%NaCl水溶液,pH值为6.5~7.2,温度为(35?2)e,连续喷雾,盐雾沉降速度为每80cm2面积上1~2ml/h,试样截取面积为50mm@100mm,试验时间为500h。试验过程中,定期开箱检查试样表面是否有锈蚀出现,并记录试样表面的变化。试验后,将试样除去腐蚀产物、测量平均失重情况,再分别取去除和未去除腐蚀产物的试样进行表面腐蚀形貌扫描电子显微镜观察。

2结果与分析

2.1耐点蚀性能比较

不锈钢试样在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线如图1及图2所示。各种不锈钢对应的点蚀电位、腐蚀电位如表2所示。

点蚀是不锈钢腐蚀失效的主要形式之一,大多数不锈钢具有良好的抗腐蚀性能,但不锈钢在海水和其它氯化物溶液中易发生点蚀[3]。一般认为,点蚀(击穿)电位Eb愈正,金属对点蚀的敏感性越小。由图1和图2中不锈钢的极化曲线可知,5种不锈钢均有明显的钝化过程,说明这几种不锈钢均能形成致密的钝化膜。由表2可知,几种节镍型不锈钢中,443不锈钢的点蚀电位最高,439不锈钢其次,201和202不锈钢的点蚀电位最低,但四种不锈钢点蚀电位均低于304不锈钢。五种不锈钢试样耐点蚀性能由高到低依次为:304不锈钢>443不锈钢>439不锈钢>202不锈钢>201不锈钢管。从不锈钢的化学成分看,200系列奥氏体不锈钢中添加了Mn、N元素以达到节镍的目的,但是,Mn元素会妨碍不锈钢钝化膜的形成,并且生成MnS、(Mn,Fe)S和(Mn,Fe)O等夹杂物,这些夹杂物易成为点蚀的诱发源[4-6],增加不锈钢的点蚀敏感性。201及202不锈钢中Mn含量分别为9.23%和7.2%,比304不锈钢中的Mn含量高7倍以上,这就是200系列奥氏体不锈钢的点蚀敏感性较高的原因之一。

2.2耐盐雾腐蚀性能比较

在盐雾试验过程中观察到201不锈钢管表面6h就产生明显的红锈,随着试验时间的延长锈蚀面积增大,锈层增厚,至试验结束时,201不锈钢管表面布满红色蚀斑;202不锈钢6h就产生点状腐蚀,随试验时间延长,腐蚀点逐渐扩大,腐蚀产物增多,至试验结束时,202不锈钢多处发生点状腐蚀。400系列两种不锈钢试验过程中表面形貌变化各不相同。439不锈钢试样试验12h后开始发生锈蚀,但锈蚀增加缓慢,试验500h后试样表面锈斑仍增加较小,腐蚀程度较轻;443不锈钢试样在试验48h后产生腐蚀点,随试验时间的延长,蚀斑增加缓慢,500h盐雾试验后,试样表面锈蚀依然很浅;304不锈钢经过12h的盐雾试验其表面就发生浅色锈斑,随着试验时间的延长,锈斑的数量增加,但直到试验时间达500h,304不锈钢表面的锈斑仍然较浅。试验结束后通过扫描电子显微镜观察到不锈钢表面锈层的显微形貌如图3所示。由图3可以看出,201不锈钢管、304不锈钢和439不锈钢的锈层形貌相近,三种不锈钢锈层均较薄,腐蚀产物形貌基本相同,为层片状结构;202不锈钢的锈层较厚且致密,腐蚀层有裂纹;443不锈钢表面仅有轻微片状腐蚀,腐蚀产物形貌不明显。除去锈层后不锈钢表面的显微形貌如图4所示。由图4可以看出,去除腐蚀产物后,201不锈钢管呈斑状腐蚀;202不锈钢发生点蚀;304不锈钢表面呈斑点状腐蚀形貌,但未见明显点蚀;439不锈钢表面呈密集细点状形貌,但腐蚀类型不同于点蚀;443不锈钢腐蚀程度最小,只在腐蚀产物下产生轻微不规则形状腐蚀点。

 201、202、304、439及443不锈钢平均腐蚀速率分别为0.0071mm/a、0.0062mm/a、0.0026mm/a、0.0038mm/a和0.0024mm/a。其中,201不锈钢管腐蚀速率最大,304不锈钢和443不锈钢腐蚀速率最小,201不锈钢管腐蚀速率是443不锈钢的3倍,说明304不锈钢和443不锈钢耐均匀腐蚀性能最好,201不锈钢管耐均匀腐蚀性能最差。200系列奥氏体不锈钢耐均匀腐蚀性能差,主要是由于它们的化学成分造成的。200系列奥氏体不锈钢的Cr、Ni元素的含量低,C、Mn元素含量高,并添加一定N元素来提高奥氏体形成能力。而奥氏体不锈钢的Ni含量越高,C含量越低,耐腐蚀性越好。不锈钢中Cr的主要作用是形成钝化膜,提高阳极电极电位,增加耐蚀性,是不锈钢耐腐蚀最主要的元素,本试验中所采用的200系列奥氏体不锈钢样品Cr含量比304系列及400系列铁素体不锈钢低4%~5%。200系列奥氏体不锈钢的平均腐蚀速率符合合金耐蚀性10级标准[2]的第3等级(0.005~0.01mm/a),304、439及443不锈钢的平均腐蚀速率符合合金耐蚀性10级标准的第2等级(0.001~0.005mm/a)。根据我国合金耐蚀性的10级标准规定:对使用过程中要求光洁镜面或尺寸精密的设备、仪表和部件,可选择1~3级标准;对于要求密切配合,长期不漏或要求使用年限长的设备、部件可选用2~5级;对要求不高、检修方便或寿命不很长的设备、部件可选用4~7级。因此,尽管200系列奥氏体不锈钢的腐蚀速率较高,但仍可以应用于对腐蚀要求不高的环境中,例如室内、无污染或轻污染的大气环境等;439不锈钢腐蚀速率是304不锈钢的1.5倍,但远低于200系列两种不锈钢;443不锈钢的腐蚀速率与304不锈钢的腐蚀速率相当,可以代替304不锈钢应用于一般腐蚀环境中。据统计,我国节镍型不锈钢(200系列和400系列)的产量逐年增加,至2008年已达到343.46万t,约占我国不锈钢产量的二分之一。节镍型不锈钢的大量应用,节省了有限的镍资源,符合可持续发展的要求。与200系列奥氏体不锈钢相比,400系列铁素体不锈钢耐点蚀和均匀腐蚀性能更好,而且一些性能如耐氯腐蚀与耐应力腐蚀性能都优于200系列奥氏体不锈钢。目前欧美等发达国家铁素体不锈钢的使用量已占整个不锈钢用量的40%左右,我国2008年400系列铁素体不锈钢的消费比例约为27%,与欧美发达国家还有很大差距,我国铁素体不锈钢的发展空间巨大。

3结论

(1)304不锈钢耐点蚀性能最好,其次为443不锈钢、439不锈钢,201不锈钢管和202不锈钢的耐点蚀性能最差。

(2)201不锈钢管在盐雾环境中的腐蚀速率为0.0071mm/a,约为304不锈钢的2.7倍;202不锈钢的腐蚀速率为0.0062mm/a,约为304不锈钢的2.4倍;439不锈钢的腐蚀速率为0.0038mm/a,是304不锈钢的1.5倍;443不锈钢的腐蚀速率为0.0024mm/a,与304不锈钢的腐蚀速率相当,在几种节镍不锈钢中耐均匀腐蚀性能最好。

(3)200系列奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能较差,只能应用于室内、农村大气环境等对耐腐蚀性能要求不高的环境中。400系列铁素体不锈钢为铬系不锈钢,钢中不含镍元素,因此具有较大的成本优势,而且耐腐蚀性能较好,应该在多方面推广应用400系列铁素体不锈钢。