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不锈钢表面的防腐蚀

来源:未知 编辑:admin 时间:2019-06-26

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  不锈钢的抗腐蚀性能主要由于表面覆盖着一层极薄的(约1nm)致密的钝化膜,这层膜把腐蚀介质隔离,是不锈钢防护的基本屏障。不锈钢钝化具有动态特征,不应看作腐蚀完全停止,而是形成扩散的阻挡层,使阳极反应大大降低。通常在有还原剂(如氯离子)情况下倾向于破坏膜,而在氧化剂(如空气)存在时能保持或修复膜。

  不锈钢工件放置于空气中会形成氧化膜,但这种膜的保护性不够完善。通常先要进行彻底清洗,包括碱洗和酸洗,再用氧化剂钝化,才能保征钝化膜的完整性与稳定性。酸洗的目的之一是为钝化处理创造条件,保证形成优质的钝化膜。因为通过酸洗使不锈钢表面平均有10um厚一层表面被腐蚀掉,酸液的化学活性使得缺陷部位的溶解率比表面上其它部位高,因此酸洗可使整个表面趋于均匀平衡,一些原来容易造成腐蚀的隐患被清除掉了。但更重要的是,通过酸洗钝化,使铁与铁的氧化物比铬与铬的氧化物优先溶解,去掉了贫铬层,造成铬在不锈钢表面富集,这种富铬钝化膜的电位可达+1.0V(SCE),接近贵金属的电位,提高了抗腐蚀的稳定性。不同的钝化处理也会影响膜的成份与结构,从而影响不锈性,如通过电化学改性处理,可使钝化膜具有多层结构,在阻挡层形成CrO3或Cr2O3,或形成玻璃态的氧化膜,使不锈钢发挥最大的耐腐蚀性。

  奥氏体不锈钢具有良好的耐蚀性能,抗高温氧化性能,较好的低温性能及优良的机械与加上r生能。因此广泛用于化工、石油、动力、核工程、航天航空、海洋、医药、轻工、纺织等部门。其主要目的在于防腐防锈。不锈钢的耐腐蚀主要依靠表面钝化膜,如果膜不完整或有缺陷,不锈钢仍会被腐蚀。工程上通常进行酸洗钝化处理,使不锈钢的耐蚀潜力发挥得更大。在不锈钢设备与部件在成形、组装、焊接、焊缝检查 (如探伤、耐压试验)及施工标记等过程中带来表面油污、铁锈、非金属脏物、低熔点金属污染物、油漆、焊渣与飞溅物等,这些物质影响了不锈钢设备与部件表面质量,破坏了其表面的氧化膜,降低了钢的抗全面腐蚀性能和抗局部腐蚀性能(包括点蚀、缝隙腐蚀),甚至会导致应力腐蚀破裂。

  不锈钢表面清洗、酸洗与钝化,除最大限度提高耐蚀性外,还有防止产品污染与获得美观的作用。在 GBl50一1998《钢制压力容器》规定,“有防腐要求的不锈钢及复合钢板制造的容器的表面应进行酸洗钝化”。这一规定是针对石油化工中使用的压力容器而言的,因为这些设备用于直接与腐蚀介质相接触的场合,从保证耐蚀耐蚀性出发,提出酸洗钝化是必要的。对其他工业部门,如并非出于防腐目的,仅基于清洁与美观要求,而采用不锈钢

  则无需酸洗钝化。但对不锈钢设备的焊缝还需要进行酸洗钝化。对核工程、某些化工装置及其它使用要求严格的,除酸洗钝化外,还要采用高纯度介质进行最终精细清洗或进行机械、化学与电解抛光等精整处理。

  主要是由于表面覆盖着一层极薄的(约1nm)致密的钝化膜,这层膜1n腐蚀介质隔离,是不锈钢防护的基本屏障。不锈钢钝化具有动态特征,不应看作腐蚀完全停止,而是形成扩散的阻挡层,使阳极反应速度大大降低。通常在有还原剂(如氯离子)情况下倾向于破坏膜,而在氧化剂(如空气)存在时能保持或修复膜。不锈钢工件放置于空气中会形成氧化膜,但这种膜的保护性不够完善。通常先要进行彻底清洗,包括碱洗与酸洗,再用氧化剂钝化,才能保证钝化膜的完整性与稳定性。酸洗的目的之一是为钝化处理创造有利条件,保证形成优质的钝化膜。因为通过酸洗使不锈钢表面平均有10μm厚一层表面被腐蚀掉,酸液的化学活性使得缺陷部位的溶解率比表面上其它部位高,因此酸洗可使整个表面趋于均匀平衡,一些原来容易造成腐蚀的隐患被清除掉了。但更重要的是,通过酸洗钝化,使铁与铁的氧化物比铬与铬的氧化物优先溶解,去掉了贫铬层,造成铬在不锈钢表面富集,这种富铬钝化膜的电位可达+1.0V(SCE),接近贵金属的电位,提高了抗腐蚀的稳定性。不同的钝化处理也会影响膜的成分与结构,从而影响不锈性,如通过电化学改性处理,可使钝化膜具有多层结构,在阻挡层形成CrO3或Cr2O3,或形成玻璃态的氧化膜,使不锈钢能发挥最大的耐蚀性。国内外学者对不锈钢钝化膜的生成进行了大量研究。以近几年北京科大对316L钢钝化膜光电子能谱 (xps)研究为例作简述[1]。不锈钢钝化是表面层由于某种原因溶解与水分子的吸附,在氧化剂的催化作用下,形成氧化物与氢氧化物,并与组成不锈钢的cr、 Ni、Mo元素发生转换反应,最终形成稳定的成相膜,阻止了膜的破坏与腐蚀的发生。其反应历程为:

  (其中Os表示钝化过程中的催化剂,且在钝化迪陧中浓度不变,ad表示吸附中间体。)

  我们知道,铁、铝在稀HNO3或稀H2SO4中能很快溶解,但在浓HNO3或浓H2SO4中溶解现象几乎完全停止了,碳钢通常很容易生锈,若在钢中加入适量的Ni、Cr,就成为不锈钢了。金属或合金受一些因素影响,化学稳定性明显增强的现象,称为钝化。由某些钝化剂(化学药品)所引起的金属钝化现象,称为化学钝化。如浓HNO3、浓H2SO4、HClO3、K2Cr2O7、KMnO4等氧化剂都可使金属钝化。金属钝化后,其电极电势向正方向移动,使其失去了原有的特性,如钝化了的铁在铜盐中不能将铜置换出。此外,用电化学方法也可使金属钝化,如将Fe置于H2SO4溶液中作为阳极,用外加电流使阳极极化,采用一定仪器使铁电位升高一定程度,Fe就钝化了。由阳极极化引起的金属钝化现象,叫阳极钝化或电化学钝化。

  金属处于钝化状态能保护金属防止腐蚀,但有时为了保证金属能正常参与反应而溶解,又必须防止钝化,如电镀和化学电源等。

  金属是如何钝化的呢?其钝化机理是怎样的?首先要清楚,钝化现象是金属相和溶液相所引起的,还是由界面现象所引起的。有人曾研究过机械性刮磨对处在钝化状态的金属的影响。实验表明,测量时不断刮磨金属表面,则金属的电势剧烈向负方向移动,也就是修整金属表面可引起处在钝态金属的活化。即证明钝化现象是一种界面现象。它是在一定条件下,金属与介质相互接触的界面上发生变化的。电化学钝化是阳极极化时,金属的电位发生变化而在电极表面上形成金属氧化物或盐类。这些物质紧密地覆盖在金属表面上成为钝化膜而导致金属钝化,化学钝化则是像浓HNO3等氧化剂直接对金属的作用而在表面形成氧化膜,或加入易钝化的金属如Cr、Ni等而引起的。化学钝化时,加入的氧化剂浓度还不应小于某一临界值,不然不但不会导致钝态,反将引起金属更快的溶解。

  金属表面的钝化膜是什么结构,是独立相膜还是吸附性膜呢?目前主要有两种学说,即成相膜理论和吸附理论。成相膜理论认为,当金属溶解时,处在钝化条件下,在表面生成紧密的、复盖性良好的固态物质,这种物质形成独立的相,称为钝化膜或称成相膜,此膜将金属表面和溶液机械地隔离开,使金属的溶解速度大大降低,而呈钝态。实验证据是在某些钝化的金属表面上,可看到成相膜的存在,并能测其厚度和组成。如采用某种能够溶解金属而与氧化膜不起作用的试剂,小心地溶解除去膜下的金属,就可分离出能看见的钝化膜,钝化膜是怎样形

  成的?当金属阳极溶解时,其周围附近的溶液层成分发生了变化。一方面,溶解下来的金属离子因扩散速度不够快(溶解速度快)而有所积累。另一方面,界面层中的氢离子也要向阴极迁移,溶液中的负离子(包括OH-)向阳极迁移。结果,阳极附近有OH-离子和其他负离子富集。随着电解反应的延续,处于紧邻阳极界

  面的溶液层中,电解质浓度有可能发展到饱和或过饱和状态。于是,溶度积较小的金属氢氧化物或某种盐类就要沉积在金属表面并形成一层不溶性膜,这膜往往很疏松,它还不足以直接导致金属的钝化,而只能阻碍金属的溶解,但电极表面被它覆盖了,溶液和金属的接触面积大为缩小。于是,就要增大电极的电流密度,电极的电位会变得更正。这就有可能引起OH-离子在电极上放电,其产物(如OH)又和电极表面上的金属原子反应而生成钝化膜。分析得知大多数钝化膜由金属氧化物组成(如铁之Fe2O3),但少数也有由氢氧化物、铬酸盐、磷酸盐、硅酸盐及难溶硫酸盐和氯化物等组成。

  吸附理论认为,金属表面并不需要形成固态产物膜才钝化,而只要表面或部分表面形成一层氧或含氧粒子(如O2-或OH-)的吸附层也就足以引起钝化了。这吸附层虽只有单分子层厚薄,但由于氧在金属表面上的吸附,改变了金属与溶液的界面结构,使电极反应的活化能升高,金属表面反应能力下降而钝化。此理论主要实验依据是测量界面电容和使某些金属钝化所需电量。实验结果表明,不需形成成相膜也可使一些金属钝化。

  两种钝化理论都能较好地解释部分实验事实,但又都有成功和不足之处。金属钝化膜确具有成相膜结构,但同时也存在着单分子层的吸附性膜。目前尚不清楚在什么条件下形成成相膜,在什么条件下形成吸附膜。两种理论相互结合还缺乏直接的实验证据,因而钝化理论还有待深入地研究。

  “通常在有还原剂(如氯离子)情况下倾向于破坏膜”这句话我怎么觉得不理解呢。

  卤素一类的阴离子对不锈钢钝化有两方面的影响。。。1。当金属还处于活化态时。他们可以与水分子和氢氧根离子等在电极表面上竞争吸附,延缓或者组织钝化的进行。

  2。金属表面有钝化膜时 他们可以在钝化膜与溶液之间的界面上吸附。然后扩散到膜内。成为膜层的杂质。这就改变了膜层的离子电导性和电子电导性。膜下活态金属和膜形成原电池 而钝化膜和金属电位差下腐蚀了。而氯离子是还原剂我不大理解

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