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鐘表行業不銹鋼腐蝕機理研究

文/中心實驗室 宋鵬濤
1. 引言

不銹鋼是指在大氣、水、酸、堿、鹽溶液或其它腐蝕介質中具有高度化學穩定性的合金鋼的總稱。但是不銹鋼的耐腐蝕性能并不是絕對的。不銹鋼包含一般不銹鋼和耐酸鋼,一般不銹鋼指耐大氣、蒸汽和水等弱介質腐蝕的鋼,而耐酸鋼指耐酸、堿、鹽等化學浸蝕性介質腐蝕的鋼。一般不銹鋼雖具有不銹性,但不一定耐酸,而耐酸不銹鋼一般具有不銹性。

不銹鋼自20世紀初發明以來,以其獨特的耐腐蝕性能,作為一種新型功能性材料、現代結構材料在現代工業和科技進步中,具有舉足輕重的作用。不銹鋼是用以制備具有抗腐蝕要求的設備等極其重要的金屬材料。304和316型不銹鋼具有高合金化、高純化、 高性能的特點,是鎳基合金和鈦的代用材料,廣泛應用于石油化工、輕工業、醫藥、宇航以及海洋開發等工業部門,并取得了 良好的效果。

近些年來,304和316型不銹鋼被廣泛應用于鐘表行業,尤其是腕表,主要做為表殼、表帶、表扣等的重要材料,其性能的好壞, 直接影響著手表的質量和品位,因此,研究不銹鋼的腐蝕機理,對于指導不銹鋼類手表產品的正確使用,具有一定的意義。

2. 不銹鋼的耐腐蝕機理

不銹鋼按組織結構,分為馬氏體不銹鋼、鐵素體不銹鋼、奧氏體不銹鋼和雙相不銹鋼等。304和316屬于奧氏體不銹鋼,奧氏體不銹 鋼有著優良的機械性能和耐腐蝕性能,是不銹鋼中最重要的一類鋼。

2.1 不銹鋼的鈍化膜理論

不銹鋼耐腐蝕性的基本原因(機理)是鈍化膜理論。所謂鈍化膜就是在不銹鋼的表面有一層以Cr2O3為主的薄膜。 這個膜使不銹鋼基體在各種介質中的腐蝕受阻。鈍化膜的形成有兩種情況:一種是不銹鋼本身就有的自鈍化能力,這種自鈍化能力隨鉻含量的增加而加快;另一種較廣泛的形成條件是不銹鋼在各種水溶液電解質中,在被腐蝕的過程中形成鈍化膜而使腐蝕受阻,當鈍化膜被損壞后,立即又可形成新的鈍化膜。

2.2 不銹鋼的穩定化元素

不銹鋼的應用環境是極其復雜的,單純的氧化鉻鈍化膜還不能適應高耐蝕性的要求。因而跟據使用條件的不同還需要在鋼中加入鉬、 銅、氮等元素,以改善鈍化膜的組成,進一步提高不銹鋼的耐蝕性。添加鉬可以使腐蝕產生MoO-2基體,,而強烈促進基體的鈍化, 阻止對基體的腐蝕;添加銅可使不銹鋼表面鈍化膜中含有了CuCl,因它與腐蝕介質不發生作用而提高耐蝕性;添加氮,由于鈍化 膜中富集Cr2N,使鈍化膜中鉻濃度提高,因而提高不銹鋼的耐蝕性。

3. 不銹鋼腐蝕機理

不銹鋼的腐蝕過程存在各種形式,由于各種不同因素的影響,影響不銹鋼腐蝕的因素分為外部因素和內部因素。外部因素包括介質的組成、溫度、壓力、pH值、材料的受力情況等;內部因素包括材料的化學組成、晶體形態、表面結構等。

3.1 不銹鋼的應力腐蝕

在較大的應力作用下,金屬材料的原子處于不穩定的高能狀態,在特定的腐蝕介質作用下,原子容易失去電子而使材料遭受腐蝕, 進而發生脆裂,即產生微裂紋;由于微裂紋的應力集中效應,使材料的脆裂得以快速擴大,最終導致材料斷裂,腐蝕機理見圖1。


圖1.不銹鋼的應力腐蝕機理
3.2 不銹鋼的點腐蝕

點腐蝕是在某個特定部位,腐蝕集中,呈坑狀侵蝕的腐蝕現象。在腐蝕性的環境中,形成蝕坑可能改變材料的活化或者鈍化狀態。 點腐蝕發生的條件是:(1)存在局部破壞保護膜的氯離子;(2)存在易溶于水的非金屬夾雜物等缺陷。

氯離子的存在對不銹鋼的鈍態起到直接的破環作用,在有氯離子存在的環境下,既不容易產生鈍化,也不容易維持鈍化。研究表明 ,316不銹鋼的耐點蝕性能明顯優于304不銹鋼,原因是316不銹鋼中添加了耐點蝕合金元素Mo。


圖2.不銹鋼的點腐蝕機理
3.3 不銹鋼的間隙腐蝕

間隙腐蝕是在法蘭部以及疊合焊接部位等結構上的間隙,以及粘附、沉淀物等間隙部發生腐蝕。該部分在間隙內的溶解氧不足,該部分在間隙內的溶解氧不足, 隨著時間的推移而不能維持鈍態而產生腐蝕,在與點腐蝕同樣機理下產生腐蝕。該腐蝕與點腐蝕相比,即使在溫和的環境條件下 亦產生,腐蝕機理見圖3。


圖3.不銹鋼的間隙腐蝕機理
4. 不銹鋼的防護措施

不銹鋼的耐蝕性是有條件的,一個牌號的不銹鋼在某一介質中是耐腐蝕的,但在另一介質中可能會遭到破壞。同時不銹鋼的耐蝕 性也是相對的,到目前為止,沒有一種不銹鋼在所有的環境中都是絕對不腐蝕的。

(1)手表外觀件不銹鋼部分,降低其表面粗糙度,表面粗糙度越小,耐腐蝕性越好;

(2)在304和316不銹鋼的使用過程中,盡量避免接觸酸、堿等腐蝕性化學藥品;

(4)在不銹鋼外觀件上鍍覆惰性金屬元素,如金等貴重金屬,可以阻止不銹鋼的緩慢腐蝕,但是必須防止不銹鋼表面產生劃痕,一旦產生劃痕,劃痕部位更容易堆積腐蝕元素,加速不銹鋼的腐蝕。

5. 結束語

304和316不銹鋼作為極為重要的奧氏體不銹鋼,同時作為一種綠色環保材料,其生產量和使用量占不銹鋼總產量與用量的70%以上, 廣泛應用于各個行業。近些年,鐘表行業普遍使用304和316不銹鋼制造手表各個外觀件及配件,其需求量隨著不銹鋼制造技術的 不斷發展,使用量已經遠遠超過了傳統的銅和鎢鋼的使用量,并呈逐年上升的趨勢。但是由于手表使用人群和使用環境的差異, 不銹鋼配件的耐腐蝕性能,在經受著不同惡劣環境的考驗。因此,對不銹鋼腐蝕機理和防護措施的深入研究,以及新型不銹鋼材料 的開發應用勢在必行。

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