不锈钢耐腐蚀性研究相关论文文献综述

1 文献综述

1.1课题研究的背景

不锈钢是指的是不锈钢和耐酸钢。在冶金领域和材料科学领域中，根据钢的主要性能特征，将含铬量大于10.5%，且以耐蚀性和不锈性为主要使用性能的一系列铁基合金称作不锈钢。通常对在大气、水蒸汽和淡水等腐蚀性较弱的介质中不锈和耐腐蚀的钢种称为不锈钢；对在酸、碱、盐等腐蚀性强烈的环境中具有耐蚀性的钢种称为耐酸钢。两个钢类因成分上的差异而导致了它们具有不同的耐蚀性，前者合金化程度低，一般不耐酸；后者合金化程度高，既具有耐酸性又具有不锈性[1]。不锈钢在我国的生产生活中占据着重要的地位，一个国家经济和生活水平的标志之一就是不锈钢人均消费量。

不锈钢和耐热钢中铬是不可缺少的元素，但铬资源储量不仅少而且偏析大，就世界范围而言，主要集中在南非和津巴布韦，西欧各国很少；因此长期使用势必造成铬资源的枯竭，为此开发不含铬的奥氏体不锈钢的研究工作应从长远课题转到日程上来[2]。在现在社会中随着我国经济水平和生活水平的提高，我国不锈钢产量和消费量确是不断增大，目前最常用的不锈钢主要是以铬、镍作为合金元素的铬系不锈钢，由于碳会与铬发生反应造成晶间腐蚀，因此生产中的大部分不锈钢为低碳钢，这样由于强硬度较低而无法满足某些特殊行业的需求；而且因为由于铬系不锈钢因为铬镍为重金属，比重较大，因此不适合现在的社会发展的轻量化需求，比如应用于交通运输、航空、航海等领域的应用将受到限制。

所以重点开发轻质、机械性能和耐腐蚀性能均良好的新型不锈钢，不但有巨大的经济效益和实用性，而且能够扩大我国金属材料行业的核心竞争力。

1.2目的和意义

（1）轻量化

无铬轻质不锈钢主要是要求轻质，符合社会发展的需要，汽车轮船航天等轻量化发展。铬虽是不锈钢必备的元素，但是铬密度为7.20 克/cm3，为重金属，单位体积重量比较大，不符合现在社会发展的需求，因此需要用轻金属代替它。铝及其合金是目前金属材料中应用最广泛的轻质金属材料，铝添加到其它合金中也能够大大减轻材料比重。由于铝的氧化膜Al2O3 结构致密，通常铝及其合金都具有优良的耐蚀性，在铁中加入一定量的铝，同样也可以提高Fe-Al 合金的耐蚀性，因此用铝代替铬可以很好的实现不锈钢的轻质化。氮是近些年来研究者比较关注的价廉性优的合金元素，氮在提高钢的耐蚀性、改善

钢的机械性能方面均具有显著地作用，因此氮作为合金元素已经在不锈钢中获得了大规模的应用。用锰和氮代替镍，减少钼使用，也可以适量的降低不锈钢的重量，生产无铬无镍新型不锈钢，此不锈钢强度、硬度、延性更优，且比重显著轻于镍、铬不锈钢，这样会使不锈钢比重大大降低，可适用于多种特殊行业并应用于现代社会快速发展得交通运输、航海、航天等轻量化需求。

（2）低成本不锈钢中的镍和钼都是稀有贵重金属，随着社会生产的发展，越来越稀有，因此更应该较少对其的使用，并且可以在这个竞争激烈的贸易社会中降低成本。因此在弱腐蚀介质中可以用锰、氮复合加入代替钢中的昂贵、稀缺的镍。向不锈钢中复合加入锰、氮，能从组织上代替镍获得奥氏体组织。氮可以显著提高奥氏体相区，并改善奥氏体组织的性能，氮的大量加入可以可使高氮奥氏体不锈钢获得非常高的强度，但钢的断裂韧性并不降低。氮还可以奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能，而且提高它们的耐晶间腐蚀、耐点蚀耐缝隙等局部腐蚀性能。氮是在不锈钢中应用的唯一一种气态合金元素，它取之容易且量无限，价格低廉，生产中加入方便，有益作用显著，但副作用较少，是现代不锈钢中非常有发展前途的重要合金元素。铝是地壳中含量最多的金属元素，储量丰富，价格也较之铬、镍便宜很多。锰也是在地壳中广泛分布的元素之一，且高锰钢坚硬而富有韧性，没有磁性，已于切削加工。因此可以显著降低奥氏体不锈钢的成本，不仅保护稀缺金属，而且增强国家材料行业的国际竞争力。（3）绿色环保铬和镍均为重金属都有一定的毒性，铬的毒性与其存在的价态有关，六价铬比三价铬毒性高100倍, 并易被人体吸收且在体内蓄积，三价铬和六价铬可以相互转化。天然水不含铬; 海水中铬的平均浓度为

0.05ug/l ，饮用水中更低；铬的污染源有含铬矿石的加工、金属表面处理、皮革鞣制、印染等排放的污水[3]。因此用铝代替铬，减少铬和镍的使用可以降低污染，用少量锰和氮代替镍，可减少污染，减少危害。

（4）性能优越有铬存在时，不锈钢中不能加入过多的碳，只能生产低碳钢。因为不锈钢中碳会与铬发生反应，碳铬结合在晶界形成富铬碳化物，造成铬贫化而引起晶间腐蚀和耐蚀性下降，而会降低不锈钢的耐腐蚀性能。这样对于一些需要高强硬度的高碳不锈钢的场合就无法满足。为了克服这个难题，可以用铝代替铬，这样可以加入适量的碳，碳不予铝发生反应，因此可以生产高碳不锈钢。氮的大量加入可以可使高氮奥氏体不锈钢获得非常高的强度，但钢的断裂韧性并不降低。氮还可以奥氏体不锈钢的耐腐蚀性能，而且提高它们的耐晶间腐蚀、耐点蚀耐缝隙等局部腐蚀性能。不锈钢中如果加入13%以上的锰，制成高锰钢，那么就变得既坚硬又富有韧性。高锰钢加热到淡橙色时，变得十分柔软，很易进行各种加工。另外，它没有磁性，不会被磁铁所吸引[4]。因此

无铬轻质不锈钢的高强度高硬度并且轻质可以满足很多特殊场合的使用，而且相比于铬系不锈钢性能并没有降低，并且会使适用领域增加，轻质高性能更符合社会发展的需要。

1.3国内外研究现状

不锈钢和耐热钢中铬是不可缺少的元素，但铬资源储量不仅少而且偏析大，就世界范围而言，主要集中在南非和津巴布韦，西欧各国很少；因此长期使用势必造成铬资源的枯竭，为此开发不含铬的奥氏体不锈钢的研究工作应从长远课题转到日程上来[2]。在现在社会中随着我国经济水平和生活水平的提高，我国不锈钢产量和消费量确是不断增大，目前最常用的不锈钢主要是以铬、镍作为合金元素的铬系不锈钢，由于碳会与铬发生反应造成晶间腐蚀，因此生产中的大部分不锈钢为低碳钢，这样由于强硬度较低而无法满足某些特殊行业的需求；而且因为由于铬系不锈钢因为铬镍为重金属，比重较大，因此不适合现在的社会发展的轻量化需求，比如应用于交通运输、航空、航海等领域的应用将受到限制。

不锈钢中加入合金元素，提高钢基体的电极电位，从而提高钢的抗电化学腐蚀能力。一般钢中加入Cr、Ni 、Si 多元素均能提高其电极电位。由于Ni 较缺Si 的大量加入会使钢变脆，因此，只有Cr 才是显著提高钢基体电极电位常用的元素。不锈钢并不是完全不锈的，我们通常意义上的不锈钢是指能抵抗大气及弱腐蚀介质腐蚀的钢种，腐蚀速度小于0.01mm/年的不锈钢称为“完全耐蚀”，腐蚀速度小于0.1mm/年的不锈钢称为“耐蚀”。铬产生氧化物薄

膜及提高电极电位均可以提高不锈钢的耐腐蚀性能。镍、铬是稀缺的贵重元素，人们在近年来就开发出既无镍又不含铬和钼的一类新型廉价的不锈钢品种，其主要成分是锰、铝，其中含锰5％一30％，含铝5%～12％，含碳不高于1％。这种以铝、锰为主角的无镍铬不锈钢，其中的铝是用来提高钢材抗腐蚀、抗氧化性的重要元素，而锰则是用来改善钢的物理性能的合金元素。因此，这种新型不锈钢具有良好的耐腐蚀性、耐高温强度和抗高温氧化性。美国和日本都是缺少镍、铬资源的国家，这就迫使他们投入大量的人力物力来研究开发这类无镍铬不锈钢．美国科学家在研究中发现，锰（占30％）铝（10%）不锈钢具有良好的耐海水腐蚀和耐磨性，而进一步添加硅（约l ％）制成的锰铝硅不锈钢则具有更好的抗海水腐蚀的性能，并且适合采用电渣法精炼，其铸造状态的硬度和拉伸强度都比在海洋船舶上常用的黄铜高。因此，目前已开始用锰铝硅不锈钢取代黄铜制造海船上的螺旋桨[5]。采用非真空感应电炉生产的无镍铬不锈钢—锰（30％）铝（8%）硅（1.5 ％）碳（1％）不