不锈钢不锈之谜.pdf
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1、不锈钢不锈之谜 北京大学医学部 刘 鑫 关键词:金属腐蚀,不锈钢, ,铬,钝化膜 当你在家中厨房用银光闪闪的锅烹饪出美味佳肴时, 当你用晶莹剔透的汤匙享受美味参 汤时, 你有没有注意到它们有着一个共同的特点都是由不锈钢制作而成的。 因为有了不 锈钢,我们不再为炒完菜后,锅刷洗的不干净而担忧,不再为拿着锈迹斑斑的汤匙喝汤而心 烦。这一切的一切都因为不锈钢不会生锈。那么我们自然要问: “不锈钢为什么不生锈?” 一金属腐蚀 要想解决这个问题, 我们先要知道何为生锈?以前, 我一直认为金属腐蚀就是金属生锈, 查书一看, 原来金属生锈只是金属腐蚀中最单纯的一种。 金属腐蚀的严格定义是金属受周围 介质的化
2、学及电化学作用而被破坏的现象。 由于腐蚀导致的金属破坏都是从表面开始, 所以 破坏程度一般来说也是表面最大。说完金属腐蚀,再来说说金属生锈。金属生锈是由于化学 作用所引起,空气中有氧气,金属被氧化而变质为氧化物,失去原有的性质。严格地说,只 有铁基金属氧化生成的含水氧化铁,才称为生锈,非铁金属是不会生锈的。 说道金属腐蚀就不得不说到金属腐蚀的危害。特别是在过去,不锈钢还未十分普及,工 程界由于金属腐蚀造成的损失,以及为防止腐蚀增加的维修费用,数额巨大。一些数据可以 充分说明这一点。在美国,由于金属腐蚀造成的损失约占国家生产总值的 4.2%,还有一项 调查统计,在 685 项金属设备损坏的案件中
3、,由机力造成的损失只占 44.8%,其余的 55.2% 都是由腐蚀引起的。 二不锈钢不锈的原因 所以腐蚀问题是一个重大问题, 自然不能不提及这篇论文的主角不锈钢。 首先来说 说不锈钢的定义。不锈钢是一系列在空气,水,盐的水溶液,酸以及其他腐蚀介质中具有高 度化学稳定性的钢种。它有光洁的外观,能抵抗腐蚀,具有良好的机械性能。其实,不锈钢 并非是不生锈的钢,在现实生活中,我们有时也能看到有的不锈钢也会生锈。所谓“不锈” , 只是相对的含义,在我看来,叫耐蚀钢更加恰当。但是“不锈钢”这个名字已被人们熟记于 心,硬要叫人们改过来已没有太大必要,就像“自来水”这个名字一样,虽然不恰当,但我 想人们也不会
4、给它改名字了,同理,我们就姑且叫它不锈钢吧。 不锈钢是铁, 碳, 和铬的合金, 或者另外再添加其他合金元素, 铬是第一主要合金元素, 铬含量至少 12%才能称为不锈钢,在常温清洁大气中,不会生锈,如果需要更大或特殊的抗 腐蚀性能,则需要增加铬含量,或另添加其他的合金元素,如 Ni,Mo,Cu,Ti 等,Ni 是不 锈钢的第二主要合金。 钢的腐蚀速度将会随着钢中铬含量的增加而下降, 并且在一定铬含量时有一个跃变。 产 生这种跃变的铬量,因腐蚀介质和刚的其他成分的差别而有所不同。例如在硝酸中,温度越 高,则钝化时所需铬的含量越高。在 15的 33%硝酸中,7%的 Cr 就足够使钢钝化,而 80 时
5、,却需要约 13%的 Cr 才能使钢钝化。 通过上面的例子, 不难看出不锈钢的不锈性既然与钢中含的铬有关。 我们都知道铁会和 空气中的氧气反应生成氧化铁,在表面形成氧化膜。但是,铁锈为多孔质,周围的空气和水 汽仍能穿透铁屑继续进行氧化, 使锈锈不断扩大, 以至完全败坏。 人们通常利用油漆的方法。 我还记得小时候我们家的大门买来的时候是非常光亮的, 可是没过两年, 很多油漆都成片的 脱落下来,露出锈迹斑斑的铁板,以后每隔一两年都要用油漆刷一遍,非常麻烦。还有的人 用耐氧化的金属进行电镀来保护钢铁表面,例如自来水管,用久了管子里面都是铁锈。这两 种保护方法的原理都是隔绝铁和空气中的氧气接触来阻止钢
6、铁的腐蚀。但这仅是一种薄膜。 如果保护膜被破坏,下面的钢便开始锈蚀了。 不锈钢的耐腐蚀性取决于铬,因为铬是钢的 组成部分之一,所以保护方法的原理和上面的并不相同。 上文提到钢的腐蚀速度将会随着 钢中铬含量的增加而下降,但铬含量更高时,尽管仍可提高耐腐蚀性,但不明显。原因是用 铬对钢进行合金化处理时, 把表面氧化物的类型改变成了类似于纯铬金属上形成的表面氧化 物。这种紧密粘附的富铬氧化物保护表面,防止进一步地氧化。这种氧化层极薄,透过它可 以看到钢表面的自然光泽, 使不锈钢具有独特的表面, 所以我们看到不锈钢一般都是银光闪 闪的。而且,这层氧化膜极密,不透气,可防止腐蚀性气体或液体向内渗透,所以
7、不能继续 氧化,如果损坏了表层,所暴露出的钢表面会和大气反应进行自我修理,重新形成这种“钝 化膜“,继续起保护作用。当铁中含有铬后,则钝化膜中含有铬,铁中铬含量越高,则膜中 铬含量也将随之升高,将会增加膜的稳定性。我们都知道,在大多数情况下,金属的钝化都 是在氧化性介质(例如氧气)中发生的,因而一般认为钝化膜是氧化膜或氧化物所形成的盐 类膜。但是在个别情况下,有些金属在非氧化剂中也能钝化。例如 Mg 在 HF 中的钝化以及 Mo 和 Nb 在 HCl 中的钝化。 还有,介质类型和钢中其他元素也会影响钝化膜的稳定性,从而影响钢的耐蚀性。例如 在上文提到的不锈钢在 33%的硝酸中钝化所需铬的含量因
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