风机压缩机金属材料的腐蚀要点

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   金属和其所处的环境介质之间发生化学、电化学或物理作用，引起金属的变质和破坏，称为金属腐蚀。金属的腐蚀遍及国民经济的各个领域，只要是使用金属的地方都有不同程度的腐蚀存在着。腐蚀给社会带来了巨大的经济损失、造成灾难性事故、耗费大量的资源和能源、阻碍了科技的发展。

         不锈钢虽然号称“不锈”，但是在实际的使用中，其也存在着腐蚀。不锈钢的腐蚀分为全面腐蚀与局部腐蚀两大类。常见的局部腐蚀有点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀和高温腐蚀等。
全面腐蚀
: n+ T' m$ Y& I4 n2 ~% C% a( [        全面腐蚀是指在整个合金表面均发生腐蚀的现象。金属材料发生全面腐蚀时会逐渐变薄，直到材料失效。全面腐蚀速度是表征金属发生全面腐烛的重要参数。常用的计算方法有重量法和深度法。
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8 z9 i0 F# h! F1 S; R        重量法是用试样在腐蚀前后单位面积和单位时间内的重量变化来表示腐蚀速度的方法。表达式为:
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8 o: `. R7 o9 {: t4 G( F4 N        式中w。为试样的原始重量,单位为g; ｗ₁为未清除腐蚀产物的试样重量,单位为g; ｗ₂为清除腐蚀产物得试样重量,单位为g; S为试样的表面积,单位为mm2;t为时间,单位为h; ±分别代表增重和失重。

        深度法可以直观的表示腐蚀深度,其计算式如下:
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" x0 }0 f4 p. Q+ a8 t# B        式中B为按深度计算的腐蚀速率，单位为mm/a；V为按重量计算的腐蚀速率，单位为g/m2·h；ρ为金属的密度，单位为g/cm2。
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  y; r0 F; y6 n% l# [  y- a5 I  ]        通过盐雾试验认为304不锈钢的均匀腐蚀2速率是200系不锈钢二分之一的原因是钢中Cr、Ni、Mn、N含量的差异。然而,不锈钢的腐蚀往往是局部腐蚀的危害多于全面腐蚀。
. H5 R8 ]8 h* A: l) v; W* R点蚀
6 G; G1 C, R) z& l# r        点蚀又称为孔蚀,是一种腐蚀集中在金属或合金表面数十微米范围内且向纵深发展的腐蚀形式。点蚀表面直径等于或小于其深度。一般只有几十微米,其形貌各异,有蝶形浅孔、窄深形、舌形等形貌。点蚀会在易生成钝化膜的金属表面、有特殊离子的介质中、电位大于点蚀电位的情况下发生。
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( x. s6 Q% A7 m: Z3 D+ w        不锈钢的点蚀是在特定的腐蚀介质中发生的,通常发生在含有卤素阴离子的溶液中,是不锈钢常见的局部腐蚀之一。点蚀发生在不锈钢表面的钝化膜上,其范围较小,如果发生点蚀,其腐蚀速率很快,严重时可使设备穿孔。下面以不锈钢在充气的含氯离子的中性介质中的腐蚀过程为例,论述点蚀孔的生长过程,见图1-2。
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    如图1-2所示,一旦形成蚀孔,孔内金属处于活化状态(电位较负),而蚀孔外的金属处于钝态(电位较正),那么,在蚀孔的内外就构成了活态一钝态电池。孔内金属发生阳极溶解形成Fe2+、Cr3+、Ni2+等离子。其反应式如下:
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5 P# G& }5 Y0 N/ F$ m        孔内氧浓度继续下降,而孔外富氧。形成氧浓差电池,加速了孔内的离子化,使孔外的氯离子向内扩散,并与孔内的Fe2+形成可溶性盐。
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        点蚀的发生于金属表面有缺陷、杂质和溶质不均匀处,当介质中含有的某些活性阴离子吸附在金属表面某些点上,使钝化膜破坏,进而使基体金属显露出来而成活化状态,而钝化膜处为钝态,这样就形成了活性一纯性腐蚀电池。由于阳极面积比阴极小得多,其电流密度大,导致阳极金属很快腐蚀成小孔。产生点蚀的条件,一是金属在介质中必须达到某一临界电位;二是侵蚀性阴离子达到一定的浓度。
- c( d' F/ p5 d/ T5 v  {" y$ B晶间腐蚀
/ n" M1 ?1 U' y$ G+ I3 x# B    晶间腐蚀是指金属或合金在特定的腐蚀介质中沿着晶粒边界发生的一种局部腐蚀。此种腐蚀是在金属或合金表面无任何变化的情况下,使晶粒间失去结合力,金属强度降低,甚至完全丧失,致使设备突发性损毁。晶间腐蚀理论有贫化理论和晶间杂质偏聚理论。
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        贫化理论是指由于晶界析出新相,造成晶界附近某一成分的贫化,从而导致晶间腐蚀。奥氏体不锈钢回火过程中(400～800℃)过饱和的碳会以Cr23C6形式在晶界析出，碳来自于晶粒内部，铬主要由碳化物附近的晶界区提供。所以，晶界附近区域的Cr很快耗尽，而晶粒内铬的扩散速率慢，补充不上，形成了贫铬区。当处于适宜的介质条件下，会形成腐蚀原电池，碳化物及晶粒为阴极,贫铬区为阳极而遭到腐蚀。

        对于低碳和超低碳不锈钢来说,不存在碳化物在晶界析出引起贫铬的情况。晶粒间界是结晶取向不同的晶粒间紊乱错合界域(缺陷最多的地方)。因此，钢中各种溶质元素易于在晶界处偏析或金属化合物(如碳化物和σ相)易于在晶界处沉淀析出，σ相的形成温度为600～850℃,在强氧化性介质中,奥氏体不锈钢在析出σ相的温度区内长时间受热，会产生由σ相析出引起的晶间腐蚀。当贫化区的铬含量降至钝化所需的极限含量以下时,就会形成碳化铬(阴极)一贫铬区(阳极)电池,从而使晶界贫铬区发生腐蚀。
缝隙腐蚀
" N$ T0 a% o0 y2 X8 r% y' J        此类腐蚀可能发生在金属与金属或金属与非金属之间构成狭窄的缝隙内,如不锈钢设备中法兰的连接处、垫圈等。其腐蚀形态为沟缝状,严重时可使设备穿孔,是点蚀的一种特殊形态。

& T& I1 _; X0 q( f7 V' W        缝隙腐蚀产生的原因是在电解液和结构缝隙存在的条件下,缝隙内有关物质的移动受到阻碍,形成浓差电池而产生局部腐蚀,缝隙内是缺氧区为阳极,其后产生自催化作用加快腐蚀速率,缝隙腐蚀和点蚀一样,在含氯离子的溶液中最容易发生。
应力腐蚀
6 m' O& o9 o0 j* w! u" y        不锈钢在特定的腐蚀介质和拉应力的同时作用时会出现低于极限的脆性 裂现象,称为应力腐蚀。此腐蚀具有发生的时间短、破坏性极大的特点。
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* U7 {* C, Q* a" y6 L        由于腐蚀介质作用，在不锈钢的敏感部位(应力最大处或是有缺陷处)形成微小的凹陷，在加上残余应力的作用，会产生微观裂纹，且裂纹扩展速率很大，最终腐蚀开裂。
高温腐蚀
        高温腐蚀是指金属材料在高温下与环境介质中的气相或凝聚相物质发生的化学或电化学反应而导致的破坏过程,也称为高温氧化。一般在金属溶点二分之一以上的温度发生的腐蚀就是高温腐蚀,主要包括高温气体腐蚀、广义的高温氧化、液态金属腐蚀及溶盐腐蚀。其中高温气体腐蚀是金属材料在高温下与腐蚀性气体发生化学反应造成的腐蚀;广义的高温腐蚀有高温氧化、硫化碳化、氯化及钒蚀等;液态金属对金属材料的腐蚀的原因:金属材料可直接溶解于液态金属中造成溶解腐蚀;金属材料会与液态金属中的杂质发生反应;
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        高温熔盐对金属材料的腐蚀原因一是金属可直接溶解在擦盐中,熔盐起到溶剂的作用,例如金属铅溶解于自身的氯化物中如下式反应:

xPb(s)+PbCl2(l)=PbxPbCl2(l)

+ z: N+ s0 A- x        二是熔盐为高温电解质,金属被氧化为金属阳离子进入熔盐中,其腐蚀过程可分为阳极过程和阴极过程,其中熔盐中的氧起到重要的作用。
铁的高温氧化
        在570℃以下,氧化膜包括三氧化二铁和四氧化三铁两层；在570℃以上,氧化膜分为三层,由内向外依次是氧化铁、三氧化二铁和四氧化三铁。三层氧化物的厚度比为100:5～10:1,即FeO层最厚,Fe₂0₃层最薄。

9 H* d% m6 C3 @" e$ Y! L        FeO是P型氧化物,具有高浓度的Fe2+空位和电子空位。Fe2+和电子通过膜向外扩散(晶格缺陷向内表面扩散)。Fe₂0₃为n型氧化物,晶格缺陷为氧离子空位和自由电子,氧离子通过膜向内扩散(氧离子空位向外界面扩散)。四氧化三铁中P型氧化物占优势,既有铁离子的扩散,也有氧离子的扩散。虽然金属的表面可以生成一层氧化铁,但是氧化铁能进一步氧化,起不到保护金属的作用。
& ^! @' ^$ i) K+ \1 I' _. r& u* I! h4 H后记
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; m" k/ Q: X( \( Q6 V- d- l7 `        金属的腐蚀给社会带来了巨大的经济损失。据某些发达国家统计,每年由于腐蚀而造成的经济损失约占国民经济生产总值的2～4%。美国在1975年因腐蚀造成的经济损失约为700亿美元,1982年高达1260亿美元;英国在1969年因腐蚀而损失13.65亿英镑;日本在1976年因腐蚀而损失92亿美元;前苏联在1967年因腐蚀而损失67亿美元;我国在1995年因腐蚀而损失1500亿人民币。以上数据表明,腐蚀造成的经济损失是十分巨大的。

        腐蚀造成的灾难性事故危及人身安全。腐蚀引起的灾难性事故屡见不鲜,损失也极为严重。如1965年,美国一输气管因应力腐蚀破裂着火,造成17人死亡;1970年,日本大阪地铁的管线因腐蚀折断,造成瓦斯爆炸,造成75人死亡。一旦造成灾难性事故,损失的不仅仅是经济。

& n" w: o5 X" X. D* n$ o1 M        金属腐蚀的问题需要人们去认真对待,若能解决腐蚀问题,就能防止经济的损失,同时,人身安全也能得到保障。以上说明,金属的腐蚀研究具有很大实用意义。不锈钢的问世更是缓解了腐蚀的问题,然而不锈钢也不能代表其不会腐蚀,那么研究不锈钢的腐蚀更是具有重要的现实意义。