Corrosiebestendigheid van metalen en legeringen: Een uitgebreide gids

De selectie van corrosiebestendige materialen is de meest effectieve en proactieve maatregel om de betrouwbare werking van metalen apparatuur te garanderen.

Daarom is het noodzakelijk om inzicht te hebben in de corrosiebestendigheid van verschillende metalen en legeringen, de geschikte werkomgeving voor elk materiaal te begrijpen en alleen op die manier effectieve anticorrosiemaatregelen te nemen voor de corrosie van metalen apparatuur.

1. Corrosiebestendigheid van ijzer-koolstoflegeringen

"IJzerlegeringen (staal en gietijzer) zijn de meest gebruikte metaalmaterialen in de machinebouw en hebben een bevredigende corrosieweerstand en goede uitgebreide mechanische eigenschappen in bepaalde situaties. De corrosieweerstand is nauw verwant aan de corrosieweerstand van puur ijzer.

I. Corrosiebestendigheid van ijzer

IJzer is een thermodynamisch onstabiel metaal en heeft een slechte weerstand tegen corrosie in vergelijking met metalen dicht bij het evenwichtspotentiaal, zoals aluminium, titanium, zink, chroom en cadmium.

Met andere woorden, in vergelijking met deze metalen is ijzer het minst corrosiebestendig in natuurlijke omgevingen (atmosfeer, bodem, natuurlijk water, enz.). Dit komt door de volgende redenen:

De waterstof- en zuurstofoverpotentiaal van ijzer en zijn oxiden is relatief laag, waardoor het gemakkelijk waterstofevolutiecorrosie en zuurstofabsorptiecorrosie kan ondergaan.

Driewaardige ijzerionen in ijzerroest en oplossingen daarvan hebben goede depolariserende effecten.

De corrosieproducten van ijzer hebben slechte beschermende eigenschappen.

IJzer is gevoelig voor corrosie door de vorming van een zuurstofconcentratiecel.

IJzer heeft een zwak passiveringsvermogen onder natuurlijke omstandigheden.

IJzer vormt onoplosbare corrosieproducten, beter bekend als roest, wanneer het wordt aangetast in de meeste zwak zure, neutrale en alkalische oplossingen. Roest heeft een poreuze en losse structuur en biedt weinig bescherming.

In niet-oxiderende zuren neemt de corrosiesnelheid exponentieel toe met de toename van de zuurconcentratie, maar in oxiderende zuren neemt de corrosiesnelheid eerst toe met de toename van de zuurconcentratie en daarna snel af door het begin van passivering.

Organische zuren zijn over het algemeen zwak voor ijzercorrosie, maar de corrosie van ijzer kan worden versneld met toenemende temperatuur en zuurstofoplossing. IJzer is stabiel in alkalische oplossingen bij kamertemperatuur.

2. De corrosiebestendigheid van koolstofstaal

De factoren die de corrosiebestendigheid van koolstofstaal beïnvloeden zijn:

1. Chemische samenstelling

⑴ De impact van koolstof: De koolstofgehalte in koolstofstaal heeft een significante invloed op de corrosiesnelheid van koolstofstaal in zure oplossingen, maar de invloed is niet duidelijk in neutrale oplossingen.

In niet-oxiderende en zwak oxiderende media neemt de corrosiesnelheid van het materiaal toe met de toename van het koolstofgehalte, want hoe meer koolstof in het staal, hoe meer koolstofneerslag in de structuur en hoe meer microbatterijen er worden gevormd, waardoor de corrosiesnelheid toeneemt.

In oxidatieve zuren neemt de corrosiesnelheid in het begin toe met de toename van het koolstofgehalte en neemt dan af wanneer het koolstofgehalte een bepaald niveau bereikt. Dit is te wijten aan het feit dat de toename van het koolstofgehalte gemakkelijk de passivering van koolstofstaal bevordert en de corrosiesnelheid verzwakt.

In natuurlijke omgevingen en zwak zure wateroplossingen is de invloed van koolstofgehalte op de corrosiesnelheid van koolstofstaal niet significant.

Dit komt omdat zuurstofdepolarisatiecorrosie de belangrijkste factor is in dergelijke omgevingen, en de prestaties van de beschermende film op het metaaloppervlak en het gemak waarmee zuurstof het kathodeoppervlak in de oplossing kan bereiken zijn de belangrijkste factoren, en de koolstofneerslag in het staal heeft weinig relatie.

Silicium en mangaan hebben over het algemeen bijna geen duidelijke invloed op de corrosiesnelheid.

⑶ De invloed van zwavel en fosfor

Zwavel is schadelijk voor de corrosieweerstand van staal en de oplossnelheid in zure oplossingen neemt toe met de toename van het zwavelgehalte.

De toename van het zwavelgehalte in staal kan gemakkelijk lokale corrosie veroorzaken. Dit komt omdat zwavel meestal aanwezig is in koolstofstaal in de vorm van FeS en MnS, die beide anodische onzuiverheden zijn en putcorrosie en sulfidebreuk veroorzaken.

Fosfor in staal is ook een actieve kathode en schadelijk in zure oplossingen zoals zwavel. Fosfor kan echter de corrosieweerstand van staal in atmosferische en zeewateromgevingen effectief verbeteren, vooral bij gebruik met koper, met bijzonder goede resultaten.

⑷ De invloed van onzuiverheden

Bij koolstofstaal verminderen allerlei onzuiverheden de corrosiebestendigheid.

2. Effect op de structuur

De structuur van staal hangt af van de samenstelling en de warmtebehandelingstoestand. In het algemeen geldt dat hoe meer koolstof er in staal zit, hoe groter de invloed van een warmtebehandeling op de corrosiebestendigheid.

Bij een gelijk koolstofgehalte heeft korrelig parelliet een betere corrosieweerstand dan lamellair parelliet en hoe groter de dispersie, hoe hoger de gemiddelde corrosiesnelheid.

De corrosieweerstand van niet-gepassiveerd koolstofstaal hangt nauw samen met het koolstofgehalte en de warmtebehandeling.

In het algemeen geldt: hoe hoger het koolstofgehalte, hoe slechter de corrosieweerstand; de corrosieweerstand van gehard koolstofstaal met een hoog koolstofgehalte is slechter, licht verbeterd na ontlaten bij lage temperatuur, de maximale corrosiesnelheid verschijnt na ontlaten bij middelmatige temperatuur en na ontlaten bij hoge temperatuur neemt de corrosiesnelheid aanzienlijk af door de vermindering van het actieve kathodeoppervlak.

3. Corrosieweerstand van laag gelegeerd staal

Laaggelegeerd staal verwijst naar gelegeerd staal met een totale hoeveelheid van legeringselementen minder dan ongeveer 5% in koolstofstaal. Volgens verschillende doeleinden, zijn er vele soorten legeringselementen toegevoegd aan staal, en de hoeveelheid van deze elementen varieert ook sterk, dus er zijn vele kwaliteiten van lage gelegeerd staal.

1. Laag gelegeerd staal bestand tegen atmosferische corrosie

Laaggelegeerd staal dat bestand is tegen atmosferische corrosie wordt ook wel verweringsstaal genoemd.

De effectieve legeringselementen zijn koper, fosfor en chroom, die het oppervlak van het staal verrijken en de vorming van amorfe toestanden bevorderen, waardoor het staal beter bestand is tegen corrosie in atmosferische omgevingen.

Representatieve laaggelegeerde staalsoorten die bestand zijn tegen atmosferische corrosie zijn 16MnCu, 10MnSiCu, 09MnCuPTi, 15MnVCu, 10AuRe, 08MnPRe, enz.

2. Laag gelegeerd staal bestand tegen zeewatercorrosie

In mariene omgevingen bevinden de zwaarste corrosieomstandigheden zich in het sproeigebied dat afwisselend droog en nat is, moeilijk te beschermen is en onderhevig is aan impact van zeewater.

De volgende is het ondiepe wateronderdompelingsgebied.

Het effect van legeringselementen op de corrosieweerstand van staal in verschillende secties is verschillend: koper is het meest prominent in het verbeteren van de corrosieweerstand van staal in het sproeigebied, en fosfor heeft ook een significant effect.

De combinatie van de twee heeft een beter effect. Silicium, molybdeen kan de neiging van putcorrosie van staal in het spuitgebied verminderen, chroom en aluminium hebben ook enig effect.

Voor de corrosieweerstand van staal in volledige onderdompeling heeft chroom het duidelijkste effect, gevolgd door fosfor, koper, silicium en nikkel.

De laaggelegeerde staalsoorten die bestand zijn tegen zeewatercorrosie die in China zijn ontwikkeld, zijn voornamelijk 10MnPNbRe, 09MnCuPTi, 10CrMoAl, 10NiCuAs, 10CrMoCuSi, enz.

3. Laag gelegeerd staal bestand tegen waterstof- en stikstofcorrosie bij hoge temperatuur en hoge druk

In de aardoliehydrotreating- en synthetische ammoniakindustrie werkt staal in waterstofomgevingen van hoge temperatuur en hoge druk, en de koolstofmatrix wordt gemakkelijk aangetast door interactie met actieve waterstofatomen die het staal binnendringen.

Daarom kunnen koolstoflegeringselementen worden toegevoegd aan het staal, die stabiele carbiden vormen met koolstof, waardoor de weerstand tegen waterstofcorrosie van het staal verbetert. Studies hebben aangetoond dat de toevoeging van Cr, Mo en kleine hoeveelheden V, Nb en Ti aan staal de weerstand tegen waterstofcorrosie kan verbeteren.

De laaggelegeerde staalsoorten die bestand zijn tegen waterstof- en stikstofcorrosie bij hoge temperatuur en hoge druk in China zijn voornamelijk 10MoWVNb, 10MoVNbTi, 12SiMoVNb en 0,8SiWMoTiNb; het typische buitenlandse antihydrogen staal 2,25Cr1Mo wordt momenteel erkend als een van de beste antihydrogen staalsoorten.

Bijna alle waterstofbehandelingsreactoren in de petrochemische industrie zijn gemaakt van dit staal.

4. Laag gelegeerd staal bestand tegen zwavelcorrosie

In de aardolieraffinage-, aardgas- en stadsgasindustrie is een groot aantal laaggelegeerde staalsoorten nodig voor de productie van pijpleidingen, opslagtanks en andere apparatuur die vaak in zwavelhoudende omgevingen werken en gevoelig zijn voor ernstige zwavelcorrosie.

Het huidige onderzoek gelooft dat de microstructuur van het staal de belangrijkste factor is die de zwavelcorrosiebreuk van laaggelegeerd staal beïnvloedt. De vorming van martensiet microstructuur in het staal moet strikt

2. Roestvrij staal en zuurbestendig staal

Staal dat bestand is tegen corrosie in atmosferische omstandigheden en neutrale elektrolyten staat bekend als "roestvast staal", terwijl staal dat bestand is tegen corrosie in chemische reagentia en zeer corrosieve media "zuurbestendig roestvast staal" wordt genoemd.

Over het algemeen wordt zowel roestvast staal als zuurbestendig roestvast staal gewoon roestvast staal genoemd. Roestvrij staal verwijst meestal naar staalsoorten met een chroomgehalte van meer dan 12% en de term "roestvrij" is een relatief begrip. Hetzelfde staal kan roestvrij zijn in sommige omgevingen, maar niet in andere.

Classificatie van roestvrij staal:

Op basis van de chemische samenstelling kan het worden onderverdeeld in chroomstaal, chroomnikkelstaal, chroommangaanstaal, enz.

Op basis van de microstructuur kan het worden onderverdeeld in martensitisch staal, ferritisch staal, austenitisch staal en austenitisch-ferritisch staal met twee fasen.

Op basis van gebruik kan het worden onderverdeeld in zeewaterbestendig roestvrij staal, stress-corrosiebestendig roestvrij staal, zwavelzuurbestendig roestvrij staal, enz.

I. Corrosiebestendigheid van chroom roestvrij staal

Chroom roestvrij staal verwijst naar roestvrij staal dat alleen chroom bevat of aangevuld is met een kleine hoeveelheid andere legeringselementen, met uitzondering van Fe en C.

Chroom is het belangrijkste legeringselement in roestvrij staal en speelt drie belangrijke rollen bij het verbeteren van de corrosieweerstand van ijzer- en staalmaterialen:

Ten eerste bevordert het de passivering van legeringen op ijzerbasis, waardoor het passiveringsvermogen van het materiaal verbetert;

Ten tweede verhoogt het het elektrodepotentiaal van de vaste oplossing (meestal de anode van de corrosiecel), dat wil zeggen de thermodynamische stabiliteit van de matrixstructuur;

Ten derde zorgt het ervoor dat het staaloppervlak een dichte en stabiele beschermende film vormt, waardoor de corrosieweerstand van het staal verbetert.

Martensitisch roestvrij staal

Martensitisch roestvrij staal omvat voornamelijk roestvrij staal van het type Cr13 (met uitzondering van 0Cr13). Dit type staal heeft een hoog koolstofgehalte en kan hogere sterkte en hardheid door warmtebehandeling, maar de corrosieweerstand is niet zo goed als ferritisch roestvast staal en austenitisch roestvast staal, en hoe hoger het koolstofgehalte, hoe slechter de corrosieweerstand.

Deze soort staal is geschikt voor situaties waarin mechanische eigenschappen vereist zijn en de corrosiebestendigheid niet te hoog is.

Door het chroomgehalte van het staal te verhogen en een kleine hoeveelheid nikkel toe te voegen, kan de corrosieweerstand van martensitisch roestvrij staal1H17N2 is bijvoorbeeld de meest corrosiebestendige martensitische, met een goede weerstand tegen oxiderende zuren en de meeste organische zuren.

Ferritisch roestvrij staal

Ferritisch roestvrij staal omvat Cr13 type, Cr17 type, Cr25-28 type, enz. Door het hoge chroomgehalte en het lage koolstofgehalte zijn de corrosieweerstand en oxidatieweerstand bij hoge temperatuur beter dan martensitisch roestvast staal, vooral de weerstand tegen spanningscorrosie.

Ferritisch roestvast staal is echter slecht bestand tegen putcorrosie en interkristallijne corrosie weerstand.

Ferritisch roestvast staal wordt voornamelijk gebruikt om apparatuur en onderdelen te maken die bestand zijn tegen oxidatie bij hoge temperaturen, corrosie door geconcentreerd zwavelzuur en gaszwavelcorrosie.

2. Corrosiebestendigheid van chroomnikkel roestvrij staal

Nikkel heeft een sterker passief vermogen dan ijzer en is ook thermodynamisch stabieler, wat gunstig is voor het verbeteren van de corrosieweerstand van staal.

Vooral door een bepaalde hoeveelheid nikkel aan roestvrij staal toe te voegen, kan een eenfasige austenitische roestvrijstalen structuur worden verkregen, waardoor de taaiheid, plasticiteit en verwerkingsprestaties van het materiaal sterk verbeteren.

Chroomnikkel roestvrij staal is het meest typische austenitische roestvrij staal, dat meer dan 18% chroom bevat en meer dan 8% nikkel, waardoor soorten chroomnikkel roestvrij staal ontstaan zoals 18-8 (of 18-9), 18-12, 25-20 (HK40), enz.

Chroomnikkel roestvrij staal heeft een uitstekende corrosieweerstand in zowel oxidatieve als niet-oxidatieve media, maar de weerstand tegen lokale corrosie zoals spanningscorrosie, interkristallijne corrosie en putcorrosie is slecht.

Plaatselijke corrosie kan worden geremd door legeren, zoals het koolstofgehalte onder controle houden, het P- en N-gehalte verlagen en het Ni verhogen, en het toevoegen van Si, Mo, Cu, enz. kan de weerstand tegen spanningscorrosie verbeteren.

Austeniet-ferriet dual-phase staal is een ander type chroom-nikkel roestvrij staal, dat de kenmerken van ferriet en austenitisch staal combineert en aanvullende prestaties heeft.

Daarnaast behoort precipitatiehardend (PH) roestvrij staal ook tot chroomnikkel roestvrij staal.

3. Zuurbestendig staal

Zuurbestendig staal verwijst naar roestvrij staal met speciale corrosieweerstand in sommige sterk corrosieve media.

Bepaald zuurbestendig staal heeft alleen een uitstekende corrosieweerstand in bepaalde specifieke media.

Daarom is het bij het selecteren van zuurbestendig staal noodzakelijk om de eigenschappen en de toestand van het corrosieve medium uitgebreid te overwegen en geschikte haalbaarheidstests uit te voeren om ervoor te zorgen dat het materiaal betrouwbaar kan werken in sterk corrosieve media.

3. Corrosiebestendigheid van non-ferrometalen

Veel gebruikte gekleurde metalen in de productie zijn aluminium, koper, magnesium, titanium en andere. Daarnaast worden gekleurde metalen zoals zink, tin, cadmium, goud, zilver en lood vaak gebruikt als bekledingsmaterialen en voeringen.

I. Aluminium en aluminiumlegeringen

1. Corrosiebestendigheid van zuiver aluminium

Zuiver aluminium heeft een slechte chemische stabiliteit, maar heeft goede passiveringsprestaties, die snel een dichte, goed beschermde oxidelaag in de lucht kunnen genereren en daarom een goede corrosieweerstand hebben.

Al2O3 is amfoteer, dus wanneer de pH van het medium lager is dan 4 of hoger dan 10, wordt de oxidelaag onstabiel en beschadigd en gaat de bescherming verloren, waardoor de corrosie van aluminium te versterken. Aluminium heeft een goede corrosieweerstand in lucht en water.

2. Corrosiebestendigheid van aluminiumlegeringen

Aluminiumlegeringen zijn over het algemeen sterker dan zuiver aluminium, maar minder corrosiebestendig. Aluminiumlegeringen hebben een hoge weerstand tegen corrosie in industriële atmosferen, mariene atmosferen, zoet water en zeewater, maar kunnen last hebben van putjes.

Aluminiumlegeringen hebben een hoge corrosieweerstand in oxidatieve media omdat ze gemakkelijk passiveren, maar zijn gemakkelijk onderhevig aan lokale corrosie zoals putcorrosie, spleetcorrosie en spanningscorrosie in niet-oxidatieve media.

2. Magnesium en magnesiumlegeringen

1. Corrosiebestendigheid van magnesium

Magnesium is onstabiel in de meeste anorganische zuren en organische zuren, maar is vrij stabiel in chroomzuur en fluorwaterstofzuur, wat te wijten is aan de beschermende oppervlaktelaag die in de passieve toestand komt. Magnesium is niet corrosiebestendig in mariene en industriële omgevingen.

2. Corrosiebestendigheid van magnesiumlegeringen

Wat betreft de corrosiebestendigheid van magnesiumlegeringen, zijn vervormbare magnesiumlegeringen minder corrosiebestendig dan gegoten magnesiumlegeringen, omdat ze gevoeliger zijn voor SCC.

Over het algemeen is de corrosiebestendigheid van magnesiumlegeringen echter slecht en moeten er effectieve beschermende maatregelen worden genomen tijdens het gebruik.

3. Koper en koperlegeringen

1. Corrosiebestendigheid van koper

Koper heeft een relatief hoge chemische stabiliteit en een positief elektrodepotentiaal, waardoor het over het algemeen niet corrodeert in zure oplossingen.

In niet-oxiderende zuren heeft koper een hoge mate van chemische stabiliteit, maar de corrosieweerstand is slecht in oxiderende zuren.

Koper is ook onderhevig aan sterke corrosie in andere oxiderende media.

Koper heeft een goede corrosieweerstand in verschillende atmosferische omstandigheden, maar het is onderhevig aan sterke corrosie in vochtige lucht die SO2-, H2S- en Cl2-gassen bevat.

Bovendien wordt het ook aangetast in ammoniumhydroxide- en cyanideoplossingen door de vorming van complexe ionen.

2. Corrosiebestendigheid van koperlegeringen

Koperlegeringen hebben over het algemeen een betere corrosieweerstand dan zuiver koper door het gecombineerde effect van de hoge thermodynamische stabiliteit van het basiskoper en de beschermende oppervlaktelaag die gevormd wordt door de legeringselementen.

Daarom vertoont het corrosiepatroon van koperlegeringen soms ook enkele kenmerken van passieve metalen.

In niet-oxiderende zuren hebben koperlegeringen een hoge mate van chemische stabiliteit.

Koperlegeringen hebben een goede corrosiebestendigheid in verschillende atmosferische omstandigheden. Andere corrosieweerstanden zijn gelijk aan die van koper.

Er zijn veel soorten koperlegeringen, die kunnen worden onderverdeeld in twee categorieën: messing en brons. Relatief gezien is de corrosiebestendigheid van messing slecht, vooral wat betreft de neiging tot spanningscorrosiescheuren (messing season cracking) en selectieve corrosie (messing ontzinking).

4. Titaan en titaanlegeringen

1. Corrosiebestendigheid van titanium

Titanium heeft een slechte thermodynamische stabiliteit en actieve chemische eigenschappen, maar in oxiderende media wordt er een dichte beschermende oxidelaag gevormd op het oppervlak, die zich in een stabiele passieve toestand bevindt.

Aan de ene kant heeft de beschermende film goede zelfherstellende eigenschappen en aan de andere kant is hij ook zeer stabiel in verschillende oplossingen (waaronder chlorideoplossingen). Daardoor heeft titanium een uitstekende corrosiebestendigheid in veel corrosieve media en wordt het veel gebruikt in technische toepassingen.

2. Corrosiebestendigheid van titaniumlegeringen

De corrosiebestendige titaniumlegering elementen kunnen worden onderverdeeld in twee groepen: een groep is edele metalen zoals Pd, Ru, Pt, en de toevoeging van sporen kan de corrosieweerstand van de legering aanzienlijk verbeteren.

De andere groep is Ta, Nb en Mo, die goedkoper zijn maar alleen een merkbaar anticorrosie-effect hebben als het gehalte hoog is.

Er zijn niet veel commercieel verkrijgbare titaanlegeringen met een goede corrosiebestendigheid. Titaanlegeringen kunnen tijdens het gebruik te maken krijgen met vormen van corrosie zoals spleetcorrosie, brosheid door waterstof, spanningscorrosie, lasnaadcorrosie en natuurlijke explosiecorrosie.

Kortom, titanium en titaniumlegeringen hebben niet alleen een goede corrosiebestendigheid, maar ook een hogere sterkte en hittebestendigheid dan andere materialen, waardoor ze een onmisbaar constructiemateriaal zijn voor vele gebieden, met veelbelovende toepassingsvooruitzichten.

4. Conclusie

Dit artikel behandelt voornamelijk de corrosiebestendigheid van enkele veelgebruikte metalen en legeringen.

Bij het bestuderen van dit hoofdstuk moet de nadruk liggen op het beheersen van de corrosiebestendigheid en beïnvloedende factoren van ijzer-koolstoflegeringen, roestvrij staal en sommige gekleurde metalen, evenals het begrijpen van de belangrijkste functies van corrosiebestendige legeringselementen en het toepassingsgebied van corrosiebestendige legeringen.