钟表行业不锈钢腐蚀机理研究 - 珠海罗西尼表业有限公司
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钟表行业不锈钢腐蚀机理研究

文/中心实验室 宋鹏涛
1. 引言

不锈钢是指在大气、水、酸、碱、盐溶液或其它腐蚀介质中具有高度化学稳定性的合金钢的总称。但是不锈钢的耐腐蚀性能并不是绝对的。不锈钢包含一般不锈钢和耐酸钢,一般不锈钢指耐大气、蒸汽和水等弱介质腐蚀的钢,而耐酸钢指耐酸、碱、盐等化学浸蚀性介质腐蚀的钢。一般不锈钢虽具有不锈性,但不一定耐酸,而耐酸不锈钢一般具有不锈性。

不锈钢自20世纪初发明以来,以其独特的耐腐蚀性能,作为一种新型功能性材料、现代结构材料在现代工业和科技进步中,具有举足轻重的作用。不锈钢是用以制备具有抗腐蚀要求的设备等极其重要的金属材料。304和316型不锈钢具有高合金化、高纯化、 高性能的特点,是镍基合金和钛的代用材料,广泛应用于石油化工、轻工业、医药、宇航以及海洋开发等工业部门,并取得了 良好的效果。

近些年来,304和316型不锈钢被广泛应用于钟表行业,尤其是腕表,主要做为表壳、表带、表扣等的重要材料,其性能的好坏, 直接影响着手表的质量和品位,因此,研究不锈钢的腐蚀机理,对于指导不锈钢类手表产品的正确使用,具有一定的意义。

2. 不锈钢的耐腐蚀机理

不锈钢按组织结构,分为马氏体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈钢和双相不锈钢等。304和316属于奥氏体不锈钢,奥氏体不锈 钢有着优良的机械性能和耐腐蚀性能,是不锈钢中最重要的一类钢。

2.1 不锈钢的钝化膜理论

不锈钢耐腐蚀性的基本原因(机理)是钝化膜理论。所谓钝化膜就是在不锈钢的表面有一层以Cr2O3为主的薄膜。 这个膜使不锈钢基体在各种介质中的腐蚀受阻。钝化膜的形成有两种情况:一种是不锈钢本身就有的自钝化能力,这种自钝化能力随铬含量的增加而加快;另一种较广泛的形成条件是不锈钢在各种水溶液电解质中,在被腐蚀的过程中形成钝化膜而使腐蚀受阻,当钝化膜被损坏后,立即又可形成新的钝化膜。

2.2 不锈钢的稳定化元素

不锈钢的应用环境是极其复杂的,单纯的氧化铬钝化膜还不能适应高耐蚀性的要求。因而跟据使用条件的不同还需要在钢中加入钼、 铜、氮等元素,以改善钝化膜的组成,进一步提高不锈钢的耐蚀性。添加钼可以使腐蚀产生MoO-2基体,,而强烈促进基体的钝化, 阻止对基体的腐蚀;添加铜可使不锈钢表面钝化膜中含有了CuCl,因它与腐蚀介质不发生作用而提高耐蚀性;添加氮,由于钝化 膜中富集Cr2N,使钝化膜中铬浓度提高,因而提高不锈钢的耐蚀性。

3. 不锈钢腐蚀机理

不锈钢的腐蚀过程存在各种形式,由于各种不同因素的影响,影响不锈钢腐蚀的因素分为外部因素和内部因素。外部因素包括介质的组成、温度、压力、pH值、材料的受力情况等;内部因素包括材料的化学组成、晶体形态、表面结构等。

3.1 不锈钢的应力腐蚀

在较大的应力作用下,金属材料的原子处于不稳定的高能状态,在特定的腐蚀介质作用下,原子容易失去电子而使材料遭受腐蚀, 进而发生脆裂,即产生微裂纹;由于微裂纹的应力集中效应,使材料的脆裂得以快速扩大,最终导致材料断裂,腐蚀机理见图1。


图1.不锈钢的应力腐蚀机理
3.2 不锈钢的点腐蚀

点腐蚀是在某个特定部位,腐蚀集中,呈坑状侵蚀的腐蚀现象。在腐蚀性的环境中,形成蚀坑可能改变材料的活化或者钝化状态。 点腐蚀发生的条件是:(1)存在局部破坏保护膜的氯离子;(2)存在易溶于水的非金属夹杂物等缺陷。

氯离子的存在对不锈钢的钝态起到直接的破环作用,在有氯离子存在的环境下,既不容易产生钝化,也不容易维持钝化。研究表明 ,316不锈钢的耐点蚀性能明显优于304不锈钢,原因是316不锈钢中添加了耐点蚀合金元素Mo。


图2.不锈钢的点腐蚀机理
3.3 不锈钢的间隙腐蚀

间隙腐蚀是在法兰部以及叠合焊接部位等结构上的间隙,以及粘附、沉淀物等间隙部发生腐蚀。该部分在间隙内的溶解氧不足,该部分在间隙内的溶解氧不足, 随着时间的推移而不能维持钝态而产生腐蚀,在与点腐蚀同样机理下产生腐蚀。该腐蚀与点腐蚀相比,即使在温和的环境条件下 亦产生,腐蚀机理见图3。


图3.不锈钢的间隙腐蚀机理
4. 不锈钢的防护措施

不锈钢的耐蚀性是有条件的,一个牌号的不锈钢在某一介质中是耐腐蚀的,但在另一介质中可能会遭到破坏。同时不锈钢的耐蚀 性也是相对的,到目前为止,没有一种不锈钢在所有的环境中都是绝对不腐蚀的。

(1)手表外观件不锈钢部分,降低其表面粗糙度,表面粗糙度越小,耐腐蚀性越好;

(2)在304和316不锈钢的使用过程中,尽量避免接触酸、碱等腐蚀性化学药品;

(4)在不锈钢外观件上镀覆惰性金属元素,如金等贵重金属,可以阻止不锈钢的缓慢腐蚀,但是必须防止不锈钢表面产生划痕,一旦产生划痕,划痕部位更容易堆积腐蚀元素,加速不锈钢的腐蚀。

5. 结束语

304和316不锈钢作为极为重要的奥氏体不锈钢,同时作为一种绿色环保材料,其生产量和使用量占不锈钢总产量与用量的70%以上, 广泛应用于各个行业。近些年,钟表行业普遍使用304和316不锈钢制造手表各个外观件及配件,其需求量随着不锈钢制造技术的 不断发展,使用量已经远远超过了传统的铜和钨钢的使用量,并呈逐年上升的趋势。但是由于手表使用人群和使用环境的差异, 不锈钢配件的耐腐蚀性能,在经受着不同恶劣环境的考验。因此,对不锈钢腐蚀机理和防护措施的深入研究,以及新型不锈钢材料 的开发应用势在必行。