前兩篇文章我們講到了金屬的腐蝕機理及金屬在海水中的耐蝕性，本篇文章我們來專門談一下鋼鐵的耐蝕及如何增強鋼鐵的耐蝕性。

在第一篇文章中講到，在自然界中，金屬的大部分腐蝕是屬于電化學腐蝕，兩種不同金屬連在一起處于一種導電液體中，在兩個金屬之間就會形成電流由電勢高的金屬流向電勢低的金屬，而0.

三種，一是提高鋼鐵本身的電極電位，二是增強鋼鐵的鈍化效應，三是盡量讓鋼鐵形成單一的微觀組織。

01 高金屬的電電位

當鉻元素加入鐵中形成固溶體時，鐵固溶體的電極電位能得到顯著提高，當鉻的含量達到2/8、2/8、3/8…..鉻/鐵摩爾比時，鐵的電極電位就發(fā)生跳躍式的增高，腐蝕亦跳躍式地減弱。這一規(guī)律稱之為n/8規(guī)律，如當鉻/鐵比為1/8（12.5%)時，可使鐵的電位由-0.56V躍升至0.2V，可使鋼在大氣等弱腐蝕性介質(zhì)中具有較好的耐蝕性。12.5%摩爾比也是作為不銹鋼的最低含鉻量要求，這也是為什么所有不銹鋼的鉻含量均大于11 wt%，如下表1幾種常見不銹鋼的化學成分。

表1 幾種常見不銹鋼的主要化學成分

02 金屬易于鈍化

大多數(shù)金屬除了金子外，當暴露于水和氧氣時，經(jīng)歷了稱為電化學的電化學氧化反應．這個過程會導致氧化層形成和覆蓋金屬表面。在鋼中，該氧化物層是水合鐵（III）氧化物，通常稱為生銹．在許多金屬包括鋼鐵，氧化層很脆不致密，很容易剝落，從而使更多的金屬暴露在空氣和水中，從而產(chǎn)生更多的銹。這種持續(xù)的循環(huán)逐漸消耗和惡化金屬。

然而，在特定金屬中，該氧化物層耐用并且緊密地粘附到表面上，從而形成保護屏障。這種保護屏障用作阻擋空氣和水分的侵入的屏蔽，從而防止進一步腐蝕。已知三種提供屏障保護的金屬氧化物是氧化鋁，氧化鉻和二氧化硅。

向鋼中加入鉻、鋁、硅等元素，可在鋼表面生成Cr2O3、Al2O3和SiO2等致密的鈍化膜，起到防腐的作用。其中鉻是最有效的元素。主要耐蝕元素的作用如表2所示。

表2 主要耐蝕元素的作用

例1 Cor-Ten鋼

Cor-Ten鋼是一種耐候鋼，即耐大氣腐蝕鋼，是介于普通鋼和不銹鋼之間的低合金鋼系列，耐候鋼由普碳鋼添加少量銅、鎳等耐腐蝕元素而成，耐候性為普碳鋼的2-8倍。具體見《成也蕭何，敗也蕭何---銅在鋼鐵中的作用》。

例2 原油油船貨油艙耐蝕鋼

目前針對油船貨油艙腐蝕所采取的防護措施主要有：加注緩蝕劑、采用防腐涂層和耐蝕鋼板。其中，加注緩蝕劑過程復雜，長期投資高；防腐涂層使用過程中存在嚴重的局部腐蝕隱患，每2.5a就須對油船進行涂層維護和重新涂布，需要耗費高額成本，延長工期，并且貨油艙空間封閉，施工環(huán)境惡劣，也會一定程度上影響施工質(zhì)量。

圖 1 油船貨油艙上下底板

1995年，國際海事組織對油船貨油艙用耐蝕鋼提出推薦性要求，并推薦各國進行研究。2010年5月14日，國際海事組織海上安全委員會（MSC）第87次會議正式通過了《原油油船貨油艙防腐保護替代方法性能標準》，并于2012年1月1日生效。2013年1月1日及以后簽訂建造合同或2016年1月1日及以后交付的所有5 000t級以上油船必須從貨油艙保護涂層和耐蝕鋼方案中選擇采用一種。該性能標準附件中對耐蝕鋼的適用范圍、目標壽命、試驗程序及性能標準做了規(guī)范和要求。標準規(guī)定耐蝕鋼的目標使用壽命是25a，對耐蝕鋼的要求是在貨油艙頂腐蝕環(huán)境中，鋼材25a后估計腐蝕損耗值（ECL）不超過2mm; 在艙底腐蝕環(huán)境中，年均腐蝕速率（C. Ｒave）不超過1.0mm/a。兩種環(huán)境均要求焊縫處放大1000倍后，母材和焊縫金屬之間不出現(xiàn)階梯狀不連貫表面。

對于耐蝕鋼開發(fā)，目前走在前列、技術較成熟的國家是日本。早在1999年，日本造船協(xié)會的SＲ242項目組利用實船測試、實驗室模擬等手段對超大型油船（VLCC）進行了為期3a的研究，成功揭示了貨油艙內(nèi)的腐蝕狀況、腐蝕機理及過程。

圖 2 NSGP-1點蝕的數(shù)量為傳統(tǒng)鋼的1/15

基于上述研究，日本新日鐵、JFE、住友金屬三大鋼鐵公司分別開發(fā)了新型油船貨油艙用耐蝕鋼。新日鐵開發(fā)了NSGPTM-1 和NSGPTM-2兩種耐蝕鋼。2003 年新日鐵公司與NYK公司合作首次成功開發(fā)了新型耐蝕鋼NSGPTM-1。表3給出了NSGPTM-1 鋼的化學成分。從表3可知，其所含合金元素較少，成分與傳統(tǒng)船用鋼AH32 差別不大，完全符合IACS標準，但其中銅、鎳、鉻及鉬的配比必是非常考究以致發(fā)揮了優(yōu)異的耐蝕性能。將NSGPTM-1 鋼應用在三菱重工建造的“TAKAMINE”號巨型油船貨油艙下底板，該船運營2.5a后的考察結(jié)果表明，使用NSGPTM-1 鋼的貨油艙下底板最大腐蝕孔只有2.8mm，而采用傳統(tǒng)鋼板的則為6.3 mm。依據(jù)國際慣例，腐蝕孔超過4 mm 需要重新涂裝船體，超過7 mm則需要焊接維修。2008 年，新日鐵公司與NYK 公司又開發(fā)了應用于油船貨油艙上甲板的耐蝕鋼NSGPTM-2，經(jīng)過5a年的實船試驗，檢測結(jié)果表明，NSGPTM-2鋼5a平均腐蝕速率小于0.07 mm/a，比傳統(tǒng)鋼降低了38%。

表3 NSGPTM-1 鋼的化學成分

03 鋼獲得單相組織

不銹鋼的基體組織是獲得所需要力學性能和良好耐蝕性的保證，使鋼在室溫下獲得單相的組織，如單相鐵素體和單相奧氏體就可以減少微電池數(shù)目，這樣鋼的耐蝕性就得以提高。

04 含量、組織和雜質(zhì)的影響

鋼中碳含量和鋼的組織對鋼的耐蝕性有明顯影響。碳含量增大，組織中碳化物陰極相增多，微電池的作用增大而降低耐蝕性。降低碳含量可提高鋼的耐蝕性，但鋼中碳含量降低、強度降低，需通過合金化來提高強度。

鋼中的雜質(zhì)對鋼的性能包括耐腐蝕性能有明顯的影響，降低鋼中的雜質(zhì)是提高鋼性能的有效方法。磷、硫、氧是鋼中主要的有害雜質(zhì)，對于鋼的力學性能來說，S，P，O含量越低越好。S對鋼的耐蝕性不利，耐蝕性隨著雜質(zhì)S含量的提高而惡化，其影響主要與鋼中的非金屬夾雜物有關。對于耐蝕性來說，適當?shù)腜對耐蝕性有一定的益處，P與Cu元素配合能夠改善鋼的耐大氣腐蝕性能，能一定程度地改善耐海水腐蝕性。

表 4 碳及雜質(zhì)元素對鋼的耐蝕影響

總結(jié) 

不銹鋼耐蝕性主要是含有大量的鉻，遵循n/8規(guī)律

少量的Cu-P、Cu-P-Cr、Cu-P-Cr-Ni 組合也可提高碳素鋼或低合金鋼的耐蝕性，如耐候鋼或貨油艙耐蝕板

單相組織利于耐蝕性的提高

碳及硫含量會促進鋼鐵的腐蝕

參考文獻

1. 張國宏，成林，李鈺. 海洋耐蝕鋼的國內(nèi)外進展，中國材料進展，2014，33(7)

2. www.nipponsteel.com