cl和so42协同作用下新型高氮奥氏体不锈钢的腐蚀行为研究
摘 要摘 要近年来，由于镍合金化不锈钢能引起人体器官的过敏反应，以及镍资源的不断匮乏等因素，人们把目光聚集到了具有低成本的高氮不锈钢上。高氮不锈钢具有优异的力学性能及耐腐蚀、耐氧化、耐磨损等性能，而且氮元素在自然界中储量多，因此高氮不锈钢的应用前景最被看好。但是，综述国内外高氮奥氏体不锈钢的研究现状，目前人们对氮在高氮不锈钢中的作用机理以及高氮不锈钢的耐腐蚀性能的研究有待进一步发展。本文通过采用电化学极化曲线和电化学交流阻抗谱的实验来研究高氮不锈钢在不同浓度的NaCl溶液中的腐蚀情况，以及在不同浓度的NaCl溶液中添加一定量的Na2SO4溶液时高氮不锈钢钝化膜的变化情况。研究结果表明：随着Cl-浓度的增加高氮不锈钢的腐蚀电位降低，腐蚀电流密度增大，说明其越易发生腐蚀；在SO42-浓度相同的情况下，随着Cl-浓度的增加高氮不锈钢钝化膜阻抗值减小，表明高氮不锈钢的耐蚀性能降低。关键词：高氮不锈钢；极化曲线；交流阻抗；Cl-；SO42-Keywords: high nitrogen stainless steels(HNNSs);polarization curve; impedance curve; Cl; SO42 目 录
第一章 绪 论 1
1.1课题研究的背景 1
1.2高氮不锈钢在国内外的研究状况 1
1.2.1高氮不锈钢在国外的研究 1
1.2.2高氮不锈钢在国内的研究 3
1.3氮在不锈钢中的作用 4
1.3.1氮对奥氏体不锈钢力学性能的影响 4
1.3.2氮对奥氏体不锈钢腐蚀性能的影响 5
1.4高氮不锈钢的点蚀行为 6
1.4.1点蚀的概念 6
1.4.2点蚀发生的机理 8
1.4.3点腐蚀的影响因数 10
1.5点蚀的研究方法 16
1.6课题研究的目的及意义 17
第二章 实验内容及实验方法 17
2.1实验材料与仪器 17
2.2.1实验原理 18
2.2.2实验方法 21
2.4实验内容 22
2.3.1电化学实验 22
第三章 结果
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.4.3点腐蚀的影响因数 10
1.5点蚀的研究方法 16
1.6课题研究的目的及意义 17
第二章 实验内容及实验方法 17
2.1实验材料与仪器 17
2.2.1实验原理 18
2.2.2实验方法 21
2.4实验内容 22
2.3.1电化学实验 22
第三章 结果与讨论 23
3.1 极化曲线图 23
3.1.1不同浓度NaCl溶液中极化曲线分析 23
3.2 电化学阻抗谱 25
3.2.1 不同浓度NaCl溶液中的电化学阻抗分析 25
3.2.2恒电位—电流瞬态响应技术测量钝化膜稳定性 27
3.3.3钝化膜的EIS曲线 30
3.3.4 MS曲线分析 31
结 论 34
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪 论
1.1课题研究的背景
不锈钢是作为生活中一种常见的金属材料，它的发明是人类在冶金学方面的一大突破，在多种不锈钢类型中以含镍的奥氏体不锈钢性能最为突出。可是镍作为一种合金化元素，由于它比较昂贵，因此制造镍合金化的不锈钢成本远大于其它合金化的不锈钢，致使这种性能良好的不锈钢不能大规模的生产以及只能在有限的区域内使用。还有就是镍元素对人体的伤害比较大，它会人体的皮肤发生过敏性反应，这个因素在一次限制了镍合金化不锈钢的运用。基于这些不良因素人们就希望用一种既便宜又对人体无伤害的元素来取代镍。经过不断地研究人们发现氮元素玩去符合这个条件，因此，开发氮合金化不锈钢的研究在国际上进行起来。刚起步的时候由于冶炼技术有限，氮元素的添加量比较少其作用不是很明显[1]，近年来随着科技大发展，氮合金化不锈钢的发展已取得了不错的成果。我国为了加快氮合金化不锈钢的进一步发展，几年来也相继设立了很多关于高氮不锈钢研究的联合资助重点项目。高氮不锈钢良好的耐蚀性能耐蚀值得进一步研究。而一般情况下不锈钢的腐蚀大致可划分为全面腐蚀和局部腐蚀两种，而局部腐蚀中的点状腐蚀对不锈钢的腐蚀最为严重，因此对不锈钢点蚀行为的研究尤为重要。经过研究，把氮元素加入钢中能够显著提高不锈钢的耐蚀性能,尤其是其耐局部腐蚀能力[2]。因此通过研究高氮奥氏体不锈钢的腐蚀机理将为我们研究高氮奥氏体不锈钢新品种和工业化生产奠定理论基础。
1.2高氮不锈钢在国内外的研究状况
自从二十世纪八十年代开始,全球很多国家都成功的召开过高氮不锈钢国际会议,比如法国、日本、德国、芬兰等国家，而且，我国也在2006年8月成功举办了第八届高氮不锈钢国际会议。每次会议的成功举行都是高氮不锈钢研究事业的一大进步。会议期间各国在高氮不锈钢方面的研究人员相互交流，使得他们对高氮不锈钢的认识更加全面。
1.2.1高氮不锈钢在国外的研究
Andrew和他的研究队员在19112年制备了第一个含有氮元素的合金,这是 首次对氮在钢中进行的研究。经过试验他得到一个结论：如果在钢中加入氮元素既能影响奥氏体的转变[3]也能影响钢的力学性能。1935~1940年间由于镍元素非常短缺,而用氮代替镍以稳定奥氏体成为一个热点研究,并取得了一定的研究成果。在之后的几年里，uhlig通过实验证明氮也能影响材料的耐蚀性能[4]，不仅仅局限于对钢结构和强度的影响。从1950年开始对氮能影响材料的耐腐蚀性能的研究越来越激烈,人们发现如果用氮和锰复合来替代代替镍，不但能够降低成本而且还能提高氮的溶解度,201和202型不锈钢应运而生,它们的平均如表1.1所示。[5]
表1.1 201和202型不锈钢的化学成分(质量%)
钢种
C
Si
Mn
Cr
Ni
N
201
0.1
0.5
6.5
17.0
4.5
0.25
202
0.1
0.5
8.75
18.0
5.0
0.25
20世纪60年代末期，含氮不锈钢"Nitronic32”(21Cr9Mn7Ni0.32N)被第一个工业化生产,由于这种钢中的Mn含量与N含量都很高,使得它具有高的强度和良好的低温韧性,并且耐腐蚀性能也非常好，是一种很有利用价值的材料;随后又设计了Nitronie33,40,50和60。这些新研制的的不锈钢具有良好的综合性能，比起标准的AISI300不锈钢，它们在室温和高温的坏境下强度更高并且稳定性也更好；马氏体在冷加工时也不易发生相变,所以强度和韧性也不错[6]。氮合金化铝钢254SMO(20Cr l8Ni 6Mo 0.7Cu0.2N)在20世纪70年代首先被瑞典的Avesta制备,之后又有许多高氮含量刚材被相继开发。[7]
研究表明含镍不锈钢具有良好的塑形，于是2000年有报道称，人们采用含镍不锈钢材料制备了一系列与人体有直接性接触了物品。但是，近几年来发现不锈钢中的镍元素对人体有害，它会引发人体的过敏性反应。于是日本大同特殊钢公司等单位共同研制出添加N取代Ni的高锰不锈钢,商品名为NFS。其试验材的化学成分(质量%):Fe0.02 C18 Mn<0.1 Ni16CrO.43N。经过试验发现，新研制的NFS含氮不锈钢具有良好的成型性能,同时其还有高的抗拉强度和优良的耐腐蚀能力,因此该含氮不
第一章 绪 论 1
1.1课题研究的背景 1
1.2高氮不锈钢在国内外的研究状况 1
1.2.1高氮不锈钢在国外的研究 1
1.2.2高氮不锈钢在国内的研究 3
1.3氮在不锈钢中的作用 4
1.3.1氮对奥氏体不锈钢力学性能的影响 4
1.3.2氮对奥氏体不锈钢腐蚀性能的影响 5
1.4高氮不锈钢的点蚀行为 6
1.4.1点蚀的概念 6
1.4.2点蚀发生的机理 8
1.4.3点腐蚀的影响因数 10
1.5点蚀的研究方法 16
1.6课题研究的目的及意义 17
第二章 实验内容及实验方法 17
2.1实验材料与仪器 17
2.2.1实验原理 18
2.2.2实验方法 21
2.4实验内容 22
2.3.1电化学实验 22
第三章 结果
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.4.3点腐蚀的影响因数 10
1.5点蚀的研究方法 16
1.6课题研究的目的及意义 17
第二章 实验内容及实验方法 17
2.1实验材料与仪器 17
2.2.1实验原理 18
2.2.2实验方法 21
2.4实验内容 22
2.3.1电化学实验 22
第三章 结果与讨论 23
3.1 极化曲线图 23
3.1.1不同浓度NaCl溶液中极化曲线分析 23
3.2 电化学阻抗谱 25
3.2.1 不同浓度NaCl溶液中的电化学阻抗分析 25
3.2.2恒电位—电流瞬态响应技术测量钝化膜稳定性 27
3.3.3钝化膜的EIS曲线 30
3.3.4 MS曲线分析 31
结 论 34
致 谢 35
参考文献 36
第一章 绪 论
1.1课题研究的背景
不锈钢是作为生活中一种常见的金属材料，它的发明是人类在冶金学方面的一大突破，在多种不锈钢类型中以含镍的奥氏体不锈钢性能最为突出。可是镍作为一种合金化元素，由于它比较昂贵，因此制造镍合金化的不锈钢成本远大于其它合金化的不锈钢，致使这种性能良好的不锈钢不能大规模的生产以及只能在有限的区域内使用。还有就是镍元素对人体的伤害比较大，它会人体的皮肤发生过敏性反应，这个因素在一次限制了镍合金化不锈钢的运用。基于这些不良因素人们就希望用一种既便宜又对人体无伤害的元素来取代镍。经过不断地研究人们发现氮元素玩去符合这个条件，因此，开发氮合金化不锈钢的研究在国际上进行起来。刚起步的时候由于冶炼技术有限，氮元素的添加量比较少其作用不是很明显[1]，近年来随着科技大发展，氮合金化不锈钢的发展已取得了不错的成果。我国为了加快氮合金化不锈钢的进一步发展，几年来也相继设立了很多关于高氮不锈钢研究的联合资助重点项目。高氮不锈钢良好的耐蚀性能耐蚀值得进一步研究。而一般情况下不锈钢的腐蚀大致可划分为全面腐蚀和局部腐蚀两种，而局部腐蚀中的点状腐蚀对不锈钢的腐蚀最为严重，因此对不锈钢点蚀行为的研究尤为重要。经过研究，把氮元素加入钢中能够显著提高不锈钢的耐蚀性能,尤其是其耐局部腐蚀能力[2]。因此通过研究高氮奥氏体不锈钢的腐蚀机理将为我们研究高氮奥氏体不锈钢新品种和工业化生产奠定理论基础。
1.2高氮不锈钢在国内外的研究状况
自从二十世纪八十年代开始,全球很多国家都成功的召开过高氮不锈钢国际会议,比如法国、日本、德国、芬兰等国家，而且，我国也在2006年8月成功举办了第八届高氮不锈钢国际会议。每次会议的成功举行都是高氮不锈钢研究事业的一大进步。会议期间各国在高氮不锈钢方面的研究人员相互交流，使得他们对高氮不锈钢的认识更加全面。
1.2.1高氮不锈钢在国外的研究
Andrew和他的研究队员在19112年制备了第一个含有氮元素的合金,这是 首次对氮在钢中进行的研究。经过试验他得到一个结论：如果在钢中加入氮元素既能影响奥氏体的转变[3]也能影响钢的力学性能。1935~1940年间由于镍元素非常短缺,而用氮代替镍以稳定奥氏体成为一个热点研究,并取得了一定的研究成果。在之后的几年里，uhlig通过实验证明氮也能影响材料的耐蚀性能[4]，不仅仅局限于对钢结构和强度的影响。从1950年开始对氮能影响材料的耐腐蚀性能的研究越来越激烈,人们发现如果用氮和锰复合来替代代替镍，不但能够降低成本而且还能提高氮的溶解度,201和202型不锈钢应运而生,它们的平均如表1.1所示。[5]
表1.1 201和202型不锈钢的化学成分(质量%)
钢种
C
Si
Mn
Cr
Ni
N
201
0.1
0.5
6.5
17.0
4.5
0.25
202
0.1
0.5
8.75
18.0
5.0
0.25
20世纪60年代末期，含氮不锈钢"Nitronic32”(21Cr9Mn7Ni0.32N)被第一个工业化生产,由于这种钢中的Mn含量与N含量都很高,使得它具有高的强度和良好的低温韧性,并且耐腐蚀性能也非常好，是一种很有利用价值的材料;随后又设计了Nitronie33,40,50和60。这些新研制的的不锈钢具有良好的综合性能，比起标准的AISI300不锈钢，它们在室温和高温的坏境下强度更高并且稳定性也更好；马氏体在冷加工时也不易发生相变,所以强度和韧性也不错[6]。氮合金化铝钢254SMO(20Cr l8Ni 6Mo 0.7Cu0.2N)在20世纪70年代首先被瑞典的Avesta制备,之后又有许多高氮含量刚材被相继开发。[7]
研究表明含镍不锈钢具有良好的塑形，于是2000年有报道称，人们采用含镍不锈钢材料制备了一系列与人体有直接性接触了物品。但是，近几年来发现不锈钢中的镍元素对人体有害，它会引发人体的过敏性反应。于是日本大同特殊钢公司等单位共同研制出添加N取代Ni的高锰不锈钢,商品名为NFS。其试验材的化学成分(质量%):Fe0.02 C18 Mn<0.1 Ni16CrO.43N。经过试验发现，新研制的NFS含氮不锈钢具有良好的成型性能,同时其还有高的抗拉强度和优良的耐腐蚀能力,因此该含氮不
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