不同敏化温度和冷凝液成分对430铁素体不锈钢电化学腐蚀行为影响.pdf
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1、第 5 1 卷第 4期 2 0 1 5 年 2 月 机械工程学报 J OURNAL 0F M ECHANI CAL ENGI NEERI NG VO1 51 N O 4 F e b 201 5 DoI : 1 0 3 9 0 1 J M E 2 0 1 5 0 4 0 5 8 不同敏化温度和冷凝液成分对 4 3 0铁素体不锈钢 电化学腐蚀行为影响木 郝文魁 刘智勇 黄天杰 2 郭 静 杜翠薇 李晓刚 ( 1 北京科技大学腐蚀与防护中心北京 1 0 0 0 8 3 ; 2 吉林油田公司采油工艺研究院松原 1 3 8 0 0 0 ) 摘要: 利用电化学测量技术, 研究不同温度敏化后的 4 3 0铁
2、素体钢在模拟汽车冷凝液环境中的电化学行为及汽车冷凝液成分 变化对 4 3 0铁素体不锈钢电化学行为的影响。结果表明,8 5 0 1 1 5 0的敏化温度范围内,4 3 0铁素体不锈钢随着敏化温度 的升高,晶粒度逐渐增大,在模拟汽车冷凝液环境中,零电流电位和电荷转移电阻逐渐降低,耐蚀性下降;4 3 0铁素体不锈 钢在 C l 一 分别与 S O4 或 s O3 2 一 共存的条件下, 比在 C 1 一 与 C O3 2 - 共存环境中更容易发生腐蚀, 腐蚀速度更高; C l 一 存在的溶液中, S 0 3 具有较大的加速腐蚀作用,且随着 S O3 2 _ 浓度的增加,维钝电流升高,腐蚀过程有逐渐
3、加剧的趋势;C l 一 和 S 0 3 2 一 共存溶 液中,C O 3 2 - 在一定程度上抑制了4 3 0铁素体不锈钢腐蚀过程的进行,降低了腐蚀速度,S O 一 加速了腐蚀过程的发生,提高 了腐蚀速度。 关键词:铁素体不锈钢;电化学;模拟腐蚀;冷凝液 中图分类号:T G1 7 4 Effe c t s o f Se ns i t i z e d u n de r Di f f e r e n t Te m p e r a t u r e a n d Co m p o s i t i o n o f Co n d e n s a t e o n El e c t r o c h e mi c
4、 a l Be ha v i o r o f 4 3 0 Fe r r i t i c S t a i n l e s s S t e e l HAO We n k u i L I U Z h i y o n g HUA NG T i a n j i e GUO J i n g D U C u i we i L I Xi a o g a n g ( 1 C o r r o s i o n a n d P r o t e c t i o n C e n t e r , Un i v e r s i t y o f S c i e n c e a n d T e c h n o l o g y B
5、 e i j i n g , B e i j i n g 1 0 0 0 8 3 ; 2 Oi l P r o d u c t i o n T e c hno l o g y I n s t i t u t e , J i l i n O i l F i e l d C o mp a n y , S o n g y u a n 1 3 8 0 0 0 ) A b s t r a c t :E l e c t r o c h e mi c a l b e h a v i o r o f t h e 4 3 0 fo r r i t i c s t a i n l e s s s t e e l
6、( F S S ) , s e n s i t i z e d u n d e r d i ff e r e n t t e mp e r a t u r e , a n d t h e e ff e c t o f c o mp o s i t i o n o f c o n d e n s a t e o n t h e e l e c t r o c h e mi c a l b e h a v i o r a r e i n v e s t i g a t e d i n s i mu l a t e d a u t o mo t i v e c o n d e n s a t e e
7、 n v i r o n me n t Re s u l t s s h o w tha t the 4 3 0 F S S s e n s i t i z e d un d e r t e mp e r a t u r e wi t h i n r a n g e o f 8 5 0 t o 1 1 5 0 i s c h a r a c t e r i z e d b y i n c r e a s i n g g r a i n s i z e a l o n g wi th s e n s i t i z a t i o n t e mp e r a t u r e , a n d b
8、 o th t h e c o r r o s i o n p o t e n t i a l a n d the c h arg e t r a n s for r e s i s t an c e o f i t d e c r e a s e s i n t h e s i mu l a t e d s o l u t i o n ,i n s o l u t i o n c o n t a i n i n g C1 -i o n ,the e x i s t e n c e o f 8 04 一o r S 03 2 -i s f o un d t o b e a b l e t o a
9、 c c e l e r a t e c o r r o s i o n p r o c e s s e s o f 4 3 0 F S S o t h e r t h an tha t o f CO3 2 - I n s o l u t i o n wi t h C1 - , S O3 z 。 p l a y s a n i mp o r t a n t r o l e i n a c c e l e r a t i n g t h e o c c u r r e n c e o f c o rro s i o n , wh i c h r e s u l t s i n t h e i n
10、 c r e a s e o f p a s s i v e c u r r e n t d e n s i t y a n d t h e c o rro s i o n r a t e wi th t h e i n c r e a s e o f c o n c e n tra t i o n o f S O3 I n a d d i t i o n , t h e s o l u t i o n c o n t a i n s b o t h C1 - an d S O3 , CO3 i n h i b i t e s t h e c o r r o s i o n p r o c e
11、 s s o f t h e for r i t i c s tai n l e s s s t e e l t o r e d u c e the c o r r o s i o n r a t e , wh i l e S O4 2 - i n c r e a s e s t h e c o r r o s i o n r a t e Ke y wo r d s : for r i t i c s tai n l e s s s t e e l ;e l e c t r o c h e mi c a l ; s i mu l a t e t h e c o rro s i o n;c o
12、n d e n s a t e 0 前言 铁素体不锈钢具有优 良的性能、节镍和低廉等 +国 家科 技 基 础性 工 作专 项 ( 2 0 1 2 F Y1 1 3 0 0 0 ) 、 国家 自然 科 学基 金 ( 5 0 9 0 1 0 4 1 ) 和 国家 科 技 支 撑 计 划( 2 0 1 1 B AK 0 6 B 0 1 - 0 1 ) 资助 项 目。 2 0 1 4 0 3 0 7收到初稿,2 0 1 4 0 9 1 1 收到修改稿 特点 ,已经成为汽车排气系统消声器 的首选材料之 一L l 七J 。但汽车排气系统消声器在工作过程 中极易使 带有腐蚀性介质的水凝结,长期服役过程 中冷
13、凝水 可浓缩成具有强腐蚀性 的溶液,使铁素体不锈钢尤 其是 焊接 区域 发生 腐蚀 问题 ,严重 减 损 部件 寿 命 。 目前对铁素体 不锈钢腐蚀 问题 的研 究主要是 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 2 0 1 5 年 2月 郝文魁等:不同敏化温度和冷凝液成分对 4 3 0铁素体不锈钢电化学腐蚀行为影响 5 9 铁素体本身的成分改进对耐腐蚀性能影响。J E O NG 等 5 - 7 研究表明在高 C r 元素的基础上添加一定量 的 Mo或稀土元素,可显著提高钝化膜的稳定性。同 时,L E P I N G L E等 8 - 1 2 J 研究结果还表明,冷凝液中
14、 阴离子作用不同, 某些对不锈钢腐蚀具有抑制作用, 而某些虽然能使点蚀电位正移,却加速了点蚀的发 展 1 3 - 1 4 0 L O P E Z等 在研究不锈钢腐蚀问题的过程 中,添加了 Na C 1 、 HC 1 以及 H2 S O 4 来研究贫铬 区钝 化膜 的破裂 问题 ,但对 阴离子对铁素体不锈钢 的腐 蚀过程的影响,尤其在汽车排气系统的消声器环境 中,尚缺乏系统研究。此外 ,铁素体不锈钢的敏化 处理温度仍不明确 ,通常规定与奥 氏体不锈钢 的敏 化温度接近,为 6 5 0 7 0 0;但从热处理理论的角 度分析,铁素体不锈钢的敏化处理温度应在 9 2 5 以上【 l 。铁素体不锈钢在
15、 6 5 0热处理温度下,C r 在不锈钢 内扩散速度很快,碳化物周围的贫铬区会 很快被 C r 的扩散消除, 不易形成贫铬 区,因而发生 晶间腐蚀 的倾 向很小;在 9 5 0热处理温度下 ,大 大提高 C、N 的扩散速度 ,使之在铁素体中的固溶 度很低 , 因此会有高 C r 的 C、 N化合物沿晶界析 出, 同时 由于此温度下也容易析 出 。相 ,从而也促进了 贫铬区的形成,导致大量腐蚀问题的发生;当温度 高于 1 0 0 0的热影响时,富集在 晶界区的 C会使 该区转化为奥 氏体,并在快速冷却过程 中使易于腐 蚀的 F e 2 C 3 在 1 , 相和 相之 间的界面处沉淀析出, 致使
16、腐蚀倾 向加剧 。上述 问题导致了铁素体不锈钢 在汽车排气系统冷凝液环境中腐蚀行为复杂性和高 敏感性 ,严重影响 了汽车 排气系统 的寿命 和有效 性 1 6 - 1 9 。 本 工作通过模 拟汽车排气 系统冷凝液 工作环 境,采用动 电位极化和交流阻抗法 ,研究了不同温 度敏化后的 4 3 0铁素体钢在模拟汽车冷凝液中的电 化学行为及汽车冷凝液成分变化对 4 3 0铁素体不锈 钢 电化学行为的影响,对系统 了解铁素体不锈钢在 汽车排气系统消声器冷凝液环境中的腐蚀行为有参 考作用。 1 试验材料及方法 试验材料为 4 3 0铁素体不锈钢热轧板 ,其化学 成分如表 1所示 。对 4 3 0铁素体
17、不锈钢进行敏化处 理 ,敏化温度分别为 8 5 0 、9 5 0、1 0 5 0 、 1 1 5 0。保温 时间统一为 2 h ,冷却方式为空冷。 把试样打磨至 2 0 0 0号后抛光 ,用 1 0 草酸溶液 以 及 以 C u C1 2 饱和 的 HC 1 HNO 3 溶液侵蚀,用 P o l y v a r ME T 金相显微镜观 察其显微组织。电化学试样为 1 c 正方形试样 , 焊接导线后用环氧树脂脂与乙二 胺( 质量 比 2 0: 1 ) 密封留出 1 c m2 工作面 ,将表面用 耐水砂纸逐级打磨至 1 5 0 0号砂纸,除油、清洗 、 脱水后备用 。冷凝液成分对铁素体不锈钢 电化
18、学行 为影响试验的材料为4 3 0 铁素体不锈钢 8 5 0保温 2 h后空冷的敏化处理试样。 :表 1 元素 质量分数 结合 4 3 0铁素体不锈钢汽车排气系统 的实际工 作环境和冷凝液的具体成分,冷凝液成分见表 2 , 其腐蚀环境为多腐蚀性介质的环境。根据实际环境 特征 ,各试验采用化学分析纯的 Na C 1 、Na 2 C O3 、 Na 2 S O3 、Na 2 S O 4 试剂均配制不同浓度的试验溶液, 各试验的溶液成分见表 3 。本试验仅考虑阴离子对 材料的耐蚀性能的影响, 为排除阳离子的影响因素, 试验模拟液中阳离子均为 Na 十 。 表 2 汽车排气系统冷凝液成分 mg L 试
19、验编号 C I - C O S O S O 4 一 5 0 一 一 l 2 5 0 5 0 2 5 0。 5 0 20 0 0 5 0 0 1 2 5 0 0 5 0 0。 2 5 0 0。 5 o o 2 00 0 0 一 一 5 0 0 2 5 0 5 0 0 2 5 0 0 5 0 0 5 0 0 0。 5 0 0。 7 5 0 0 5 0 2 5 0 1 2 5 0 5 0 2 0 0 0 2 5 0。 5 0 0。 2 5 0 0 1 2 5 0 0 5 0 0 2 OO o o 2 5 0 0 一 电化学试验在 AP R 多通道电化学工作站上进 行, 采用三 电极体系, 不 同热处
20、理试样为工作 电极 , 饱和甘汞 电极为参比电极 ,P t 片为对 电极 。试验 前 电极表面除油,连接到 电解池 内,进行交流阻抗 谱( E l e c t r o c h e mi c a l i m p e d a n c e s p e c t r o s c o p y ,E I S ) 和 动电位极化曲线测试。交流阻抗谱试验从腐蚀电位 开始,振幅约+ 1 0 mV,频率为 0 0 1 1 0 0 0 0 H z ,动 电位极化 曲线扫描速度为 O 5 mV s 。对测试得到的 2 3 4 5 6 7 8 9 n 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔
21、 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 学兔兔 w w w .x u e t u t u .c o m 机械工程学报 第 5 l 卷第 4期 之间形成高 电势原电池,产生加速腐蚀的结果 ,反 映到电化学行为上( 图 2 、图 5 ) 为腐蚀 电位下降和电 荷转移 电阻下降。 3 2 冷凝液成分对铁素体不锈钢电化学行为的影 响分析 敏化后的 4 3 0不锈钢在模拟冷凝液中的电化学 反应为如下 。 阳极 F e F e 。 + 2 e C r C r +
22、2 e ( 4 ) 阴极 O 2 +4 H +4 e - - y 2 H2 O 2 H +2 e H2 ( 5 ) 理论上 ,多种离子共存的水溶液 中,不 同离子 在金属表面经常出现竞争吸附现象,对腐蚀的影响 表现为协同效应 。由于环境不同,各 阴离子在相互 协同作用存在加速与抑制腐蚀两种情况 1 3 - 1 4 o 在 c l 一 和 S O 3 2 一 共存的溶液中,低浓度和高浓度环境 中加 入 C 0 3 2 - 均 出现维钝电流密度 降低并伴有 明显钝化 的现象( 图 1 0 、l 1 ) 。其原因为极化过程中 F e被不断 加速氧化成 F e ,其与冷凝液中优先吸附的 C 03 结合
23、生成 F e C O3 吸附在金属表面 , 形成了产物薄膜 , 对钝化膜表面活性点起到及时修复作用,一定程度 上阻止 了腐蚀过程的进一步进行 。 根据离子吸附原理L 2 ,在 C V 和 S 0 4 2 - 共存的水 溶液中,离子浓度较高时,c r 和 S 0 4 Z _ 在金属材料 表面发生竞争吸附,通常 S O4 2 - 比 C V 更加容易吸附 在金属的表面 。C 1 - 与 S 0 4 2 - 在金属材料表面竞争吸 附过程是一个动态平衡过程 ,存在离子吸附和脱附 现象 。 当 C 1 - 与 8 0 4 2 一吸附在不锈钢表面的同一区域 时,由于它们之间的相互排斥作用,也 由于 C V
24、 较 轻 ,C V 脱附前在不锈钢表面发生迁移,此时就有可 能引发 C V的局部集中,而且 C r 对于铁素体不锈钢 而言是强腐蚀性介质,局部集 中极易引起点蚀 。随 着 8 0 4 2 - 浓度逐渐升高,不锈钢表面吸附 8 0 4 2 - 浓度 逐渐增加,但是 C l 一 有效浓度逐渐降低 ,同时由于 S 04 的竞争吸附导致瞬时 C l 一 局部集 中,促进 了腐 蚀过程 的进行 。由此可 以推知冷凝液初期 8 0 4 2 - 浓 度较低 ,对 C V的局部集 中作用并不显著,而随着 工作时间的积累, 冷凝液蒸发浓缩, S 0 4 2 - 浓度逐渐 增大 ,对 C1 一 的局部集 中作用逐
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