《材料的耐蚀性》PPT课件.ppt
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1、5材料的耐蚀性,5.1 纯金属的耐蚀性利用纯金属及改进合金耐蚀性,必须了解、掌握纯金属的耐蚀性及其规律。5.1.1 热力学稳定性各种纯金属的热力学稳定性可根据其标准电极电位值作出近似的判断。标准电极电位较正的金属,其热力学稳定性也较高较负的则稳定性较低。根据pH7(中性溶液)和pH0(酸性溶液),氧和氢的平衡电极电位分别为+0.815V,+1.23V及-0.414V,0.000V,可粗略地把金属分为四类,见表5-1。,表5-1 根据金属的电极电位评定其热力学稳定性,金属E0/V 热力学性质 可能腐蚀 金 属 E0.815 稳定 含氧化剂酸性 Pd Ir Pt Au 贵金属 络合物介质腐蚀,5.
2、1.2 自钝性,在热力学不稳定的金属中,有不少金属在适宜的条件下,由活化态转为钝化态而耐蚀。最容易钝化的金属有Zr、Ti、Ta、Nb、A1、Cr、Be、Mo、Mg、Ni、Co等。多数可钝化的金属都是在氧化性介质中易钝化,在HNO3中及强烈通空气的溶液中它们都可钝化;介质中含有活性离子(Cl-、Br-、F-)时,及在还原性介质中大部分金属的钝态会受到破坏。,5.1.3 生成保护性腐蚀产物膜,热力学不稳定金属因钝化而耐蚀外;在腐蚀过程中生成较致密的保护性能良好的腐蚀产物膜,耐蚀。Pb在H2SO4溶液中生成硫酸铅。Fe在H3PO4溶液中生成磷化膜。Mo在HCl及Zn在大气中形成耐蚀产物膜。,5.2
3、合金耐蚀途径,合金耐蚀性不仅取决于合金成分、组织等内因,也取决于介质种类、浓度、温度等外因。应用环境不同,提高合金耐蚀性途径也不同。一般有提高热力学稳定性;阻滞阴极过程;阻滞阳极过程;使合金表面生成高耐蚀的腐蚀产物膜。,5.2.1 提高合金热力学稳定性,用热力学稳定性高的元素进行合金化。向本来不耐蚀的纯金属或合金中加入热力学稳定性高的合金元素(贵金属)使之成为固溶体,提高合金的热力学稳定性。一般加入贵金属组分的原子分数含量服从塔曼定律,即n/8规律。Cu中加入Au或Ni,Ni中加入Cu、Cr等。该途径不宜广泛应用。,5.2.2 阻滞阴极过程,适用于不产生钝化的活化体系,且主要由阴极控制的腐蚀过
4、程,具体途径有以下两种。1)减少合金的阴极活性面积 阴极析氢过程优先在析氢过电位低的阴极相或阴极活性夹杂物上进行。减少工业Zn中杂质Fe的含量就会减少Zn中FeZn7阴极相,降低Zn在非氧化性酸中的腐蚀速度。A1、Mg及其合金中阴极性夹杂物Fe,不但在酸性介质中增加腐蚀(见图5-1),而且在中性溶液中也有同样的作用。用热处理方法(固溶处理),使合金成为单相固溶体,消除活性阴极第二相,提高合金的耐蚀性。,1)减少合金的阴极活性面积,2)加入析氢过电位高的合金元素,该方法适用于由析氢过电位控制的析氢腐蚀过程。合金中加入析氢过电位高的合金元素,提高合金的阴极析氢过电位,降低合金在非氧化性或氧化性不强
5、的酸中的活性溶解速度。在含有铁或铜杂质的工业纯锌中加入析氢过电位高的Cd、Hg时可显著降低工业纯Zn在酸中的溶解速度;在含有较多杂质铁的工业镁中,添加质量分数为0.5%1%的Mn可大大降低其在氯化物水溶液中的腐蚀速度,如图5-2所示。碳钢和铸铁中加入析氢过电位高的Sb、As、Bi或Sn,可显著地降低其在非氧化性酸中的腐蚀速度。,加入析氢过电位高的合金元素,5.2.3 降低合金的阳极活性,5.2.3.1 减少阳极面积第二相相对基体是阳极相,在腐蚀过程中减少这些微阳极相数量,可加大阳极极化电流密度,增加阳极极化程度,阻滞阳极过程的进行,提高合金耐蚀性。Al-Mg合金中的第二相Al2Mg3是阳极相。
6、腐蚀过程中逐渐被腐蚀掉,合金表面微阳极总面积减少,腐蚀速度降低。Al-Mg合金耐海水腐蚀性能就比第二相为阴极相的硬铝(Al-Cu)合金好。实际,第二相很少为阳极相,多是阴极相,靠减少阳极面积来降低腐蚀速度的方法受到一定限制。用晶界细化或钝化减少合金表面的阳极面积也是可行的。提高金属和合金的纯度或进行适当的热处理使晶界变薄变纯净,可提高耐蚀性。,5.2.3.2 加入易钝化的合金元素,在合金中加易钝化合金元素,提高合金的钝化能力,是增强合金耐蚀性的最重要的方法。加入易钝化合金元素的效果与合金使用条件以及合金元素加入量有关。一般与一定氧化能力的介质条件相配合,才能达到耐蚀效果。工业合金基体铁、铝、镍
7、等元素,都是在某种条件下能够钝化的元素。Fe中加入Cr制成不锈钢,Cr量按n/8定律加入,才能收到良好效果。Ni中加一定Cr制成因科乃尔(Inconel)合金。Ti中加人Mo的Ti-Mo合金,耐蚀性都有极大的提高。,5.2.3.3 加入阴极性合金元素促进阳极钝化,适用于可能钝化的金属体系(合金与腐蚀环境)。金属或合金中加入阴极性合金元素,可促使合金进入钝化状态,从而形成耐蚀合金。图5-3示出了阴极性元素对可纯化体系腐蚀规律影响示意图。阴极过程的极化曲线为E0CC1,体系腐蚀电流密度为IC1。如加入阴极性合金元素(适量)产生强烈的阴极去极化作用,阴极极化曲线变为E0CC3。此时电位已达到致钝电位
8、Eb,最大电流密度IC3超过了钝化临界电流密度ib,合金进入钝态。阴极极化曲线E0CC3交阳极极化曲线的钝态区,此时合金的腐蚀电流密度为钝化电流密度ip腐蚀速度大大降低.,阴极性元素对可钝化体系腐蚀规律,阴极性合金元素的加入量为0.2%0.5%,5.2.4 合金表面生成高耐蚀的腐蚀产物膜,加入一些合金元素促使在合金表面生成致密、高耐蚀的保护膜,从而提高合金的耐蚀性。在钢中加入Cu、P等合金元素,能使低合金钢(Cor-Ten钢)在一定条件下表面生成一种耐大气腐蚀的非晶态的保护膜。,5.3铁的耐蚀性,5.3.1 铁电化学性质及其耐蚀性铁形成铁离子的标准平衡电位E0Fe/Fe2+-0.44V,E0F
9、e/Fe3+-0.036V。从热力学上看,铁是不稳定的,与铁的平衡电位相近、甚至电位很负的金属相比,铁在自然环境中耐蚀性能较差。如Fe与A1、Ti、Zn、Ni等金属相比,在自然条件下,Fe是不耐蚀的。,5.3.2 合金元素对铁的耐蚀性的影响,5.3.2.1 合金元素对铁的阳极极化曲线特性点的影响,合金元素对铁阳极极化曲线特性点的影响,1)B点活性溶解自腐蚀电位ER、自腐蚀电流iRCr热力学稳定性比铁低,Cr加入Fe,使ER向负电位方向移动,使iR增大;Ni和Mo使ER向正电位方向移动,提高Fe热力学稳定性,使iR向降低方向移动。2)C点临界钝化电位(至钝电位)Eb和临界电流密度ib。元素Cr使
10、Eb负移,促使Fe钝化,提高耐蚀性,加入Ni、Mo、Ti使Eb正移,不利于Fe钝化;Cr、Mo、V、Ti、Nb、Ni使临界电流密度ib降低,有利于钝化;Mn使ib增大,不利于钝化。3)D点稳定钝化所需要最低电位Ep和维持钝化所需电流ip。Cr、Si使Ep向负移,使Fe容易进入稳定钝化区,而Mo、Ni则相反,使Ep向正方向移动,缩小稳定钝化区。4)F点点蚀电位Ebr,Cr、Ni、Mo、Si、V、W使Ebr向正移,增加Fe的耐点蚀能力。5)G点过钝化的起始电位Eop,Ni、Si、N可使Eop正移,Mn、V则使Eop负移,增加Fe的过钝化敏感性。,5.3.2.3 合金元素对Fe基合金耐蚀性的影响,铬
11、易钝化的金属,不锈钢的基本合金元素。不同Cr含量对Fe-Cr合金的腐蚀电位的影响如图5-7所示。,镍易钝化的金属,钝化倾向比Fe大但不如Cr;Ni的热力学稳定性比Fe高。Fe-Ni合金的电化学行为同Ni含量的关系见图5-8。,Fe-Ni合金中的腐蚀速度与Ni含量的关系,Mo促进Fe-Cr合金钝化,使合金耐还原性介质腐蚀。,5.4 耐蚀铸铁及其应用,普通铸铁不耐蚀,提高其耐蚀性,加入合金元素,Si、Ni、Cr、Mo、A1、Cu等,形成各类耐蚀铸铁。高硅铸铁,镍铸铁,铬铸铁,铝铸铁。5.4.1 高硅铸铁 W(Si)14.5%W(C)=0.5%1.1%的铸铁中加14%18%的Si可使其具有优良的耐酸
12、性能,高硅铸铁的含硅量与耐蚀性关系示于图5-12。当W(Si)14.5%时,腐蚀速度有明显的降低,但Si质量分数一般不大于18%,否则严重降低力学性能。,高硅铸铁的含硅量与耐蚀性关系,高Si铸铁,W(Si)14%的合金铸铁称为高Si铸铁。对各种无机酸包括HCl均有良好的耐蚀性能。W(Si)15时会生成价稳定的相(Fe5Si2),多数耐蚀铸铁 W(Si)15;高Si铸铁在HCl中耐蚀性不如在H2SO4和HNO3中好,把Si质量分数提高到18%,并加3%Mo。高Si铸铁在H3PO4中耐蚀性良好,T98时,V0.1mm/a,Vmax0.2mm/a。高Si铸铁不耐碱腐蚀,5.4.2 镍铸铁,镍同硅一样
13、,是促进铸铁石墨化的元素,但其作用仅为硅的1/3。Ni在铸铁不形成碳化物,也不固溶于渗碳体中,全部溶于基体中。据Ni含量,可把镍铸铁分为低镍铸铁,中镍铸铁及高 镍铸铁。奥氏体高镍铸铁W(Ni)=14%36%,含一定量Cr或Cu,铸态组织由片状或球状石墨和奥氏体所组成。奥氏体高镍铸铁中以Ni-Resist耐蚀铸铁最著名,其成分及性能见表5-2。,表5-2 Ni-Resist耐蚀铸铁成分及性能,高镍铸铁,高镍铸铁对各种无机和有机还原性稀酸,及各类碱性溶液都有很高耐蚀性。在高温高浓度碱性溶液中,甚至在熔融的碱中都耐蚀;在氧化性酸(HNO3)中,耐蚀性较差。高镍铸铁对海洋大气、海水和中性盐类水溶液具有
14、非常好的耐蚀性,是海水淡化装置中(海水泵等)的理想材料。低镍铸铁W(Ni)2%3%可提高铸铁的耐碱腐蚀性能,低镍铸铁用作浓缩烧碱的蒸煮锅等。,5.4.3 铬铸铁,低铬铸铁W(Cr)=5时腐蚀率0.1mm/a)。,5.5 耐蚀低合金钢,耐蚀低合金钢是低合金钢的一个重要分支。加合金元素主要为改善钢在不同腐蚀环境中的耐蚀性,合金元素总质量不超过5。它们尚属发展中的钢种,较成熟的耐蚀低合金钢主要有;1)耐大气腐蚀低合金钢;2)耐硫酸露点腐蚀低合金钢;3)耐海水腐蚀低合金钢;4)耐硫化物腐蚀低合金钢;5)其他耐蚀低合金钢,如耐高温、高压、耐氢钢及耐盐卤腐蚀的低合金钢等。,5.5.1 耐大气腐蚀低合金钢,
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