食品接触不锈钢-常用不锈钢材料-合金元素用途与耐蚀性能
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不锈钢原料(主要是热轧与冷轧板材)的价格:
316L最贵,在2万一吨左右,其次为304在1.4-1.7万一吨左右,再次为200系列和400系列,二者价格差不多但400系列稍贵,在7千-9千之间,201在8千,430在9千。
不锈钢原材料有高铬铁、猛、镍等。
Ni在10万/吨(伦敦镍在14000美元/吨),Mn在11600元/吨左右(电解锰2100美元/吨),高铬铁6450-6550元/50基吨,即1.3千/吨。
热轧板主流为3.0mm价格比冷轧板底一千左右块一吨,冷轧较抢手的有0.94/1.2/1.4mm,主流为2.0mm。
国内200系列不锈钢的成分:
铬与镍:不锈钢中Cr的主要作用是形成钝化膜,提高阳极电极电位,增加耐蚀性,是不锈钢耐腐蚀的最主要的元素。
不锈钢中的Ni是奥氏体不锈钢中的主要合金元素,其主要作用是形成并稳定奥氏体,使钢获得完全奥氏体组织。
Ni的价格较贵,Ni原料一公斤在100元/Kg左右。
Ni可显著降低奥氏体不锈钢的冷加工硬化倾向,这主要是由于奥氏体稳定性增大,减少以至消除了冷加工过程中的马氏体转变,同时对奥氏体本身的冷加工硬化作用不太明显,不锈钢冷加工硬化倾向的影响,镍降低奥氏体不锈钢冷加工硬化速率,与降低钢的室温及低温强度,提高塑性的作用,决定了镍含量的提高有利于奥氏体不锈的冷加工成形性能。
锰与氮:在节镍奥氏体不锈钢中,Mn的主要作用是与N、Ni等元素复合,形成奥氏体组织,但Mn在钢中易形成硫化锰夹杂物,Mn导致不锈钢耐氯化物腐蚀能力下降。
氮N常常仅是强化Cr、Mo等元素在奥氏体不锈钢中的耐蚀作用,氮的加入使钝化膜次表层进一步富铬,提高膜的稳定性和致密性;另外由于氮的活性大,可以在钝化膜的活性基点处偏聚吸附,抑制钝化膜溶解。
含氮钢中氮溶解时形成NH4+,在形成过程中消耗H+,N改善了局部腐蚀环境,更有利于钝化反应进行。
钼:Mo钼的加入对其室温力学性能影响不大,但是,随着钼含量的增加,钢的高温强度提高,比如持久,蠕变等性能均获较大改善,因此含钼不锈钢也常在高温下应用,然而,钼的加入使钢的高温变形抗力增大,加之钢中常常存在少量δ铁素体因而含钼不锈钢的热衷加工性比不含钼钢为差,而且钼含量越高,热加工性能越坏。
大量实验已指出,钼的作用仅当钢中含有较高量的铬时才有效,钼主要是强化钢中铬的耐蚀作用,与此同时,钼形成钼酸盐后的缓冲作用也已为实验所证实,在耐高浓氯化物沉沦的应力腐蚀方面。
含钼的铬镍钼奥氏体不锈钢由于耐点腐蚀性能较高,所以在实际应用中常常比不含钼钢具有更好的耐氯化物应力腐蚀性能。
目前国内市场上大量应用的200系列不锈钢牌号主要有201和202不锈钢,但是这两种不锈钢的化学成分与美国ASTM标准中201和202不锈钢的化学成分不同,国内201和202不锈钢的成分,大多数是经过调整的,镍含量更低。
例如某市售不锈钢冷轧薄板的化学成分如下,其中201只有1.06 Wni%,而202为3.94Wni%,201的Wmn%为9.23,202为7.2Wmn%。
202的Ni含量高于201,而Mn含量低。
在Cr含量相同的情况下,Ni及N含量越高,耐蚀性越好,这也就是202不锈钢的耐蚀性比201好的原因。
410不锈钢的性能及用途:
410属于400系列不锈钢的一种,一般来说304的会比较好防锈耐腐蚀,有些特殊的地方410反而比304要好。
比如一些需要硬度比较高的却不需要很好的防锈能力也不需要耐腐蚀性能那么410会好很多。
410不锈钢机械加工性能优良,但不适合恶劣的腐蚀环境,一般用于一般刀刃,机械部件,
1类餐具(勺, 叉, 刀等)。
400系列的不锈钢可以通过热处理而提高硬度,现在做餐具一般400系列用于比较低端的产品。
304用于比较高端的产品,而有的高端的304餐具会用316L或18/10的材料.
304与316为最普遍和广泛用途的不锈钢,其耐腐蚀性,强韧性,焊接性能,冷加工性能较好,202通常作为304的廉价替代品。
400系列用于对腐蚀性能要求不高,而需要较大强度的场所。
常用的耐腐蚀性测试方法:盐雾试验中的201<202<,304的腐蚀特性
1,齐达,李晶,董力,等。
200系列不锈钢耐腐蚀性能研究[J], 钢铁反钛:2010:31.2
盐雾试验按中性盐雾试验标准(GB /T10125 -1997)执行,溶液为5%NaCl水溶液, pH值为6. 5~7.2,温度为(35±2)℃;连续盐雾,盐雾沉降速度为每80 cm2面积上1~2 mL /h,试样截取面积为50mm@100 mm,试验时间为500 h。
试验过程中,定期开箱检查试样表面是否有锈蚀出现,并记录试样表面的变化。
试验后,将试样除去腐蚀产物、测量平均失重情况,再分别取去除和未去除腐蚀产物的试样进行表面腐蚀形貌扫描电子显微镜观察。
试验结果显示:201不锈钢表面6 h之内就生成明显的红锈,随着试验时间的延长锈蚀面积增大,锈层增厚。
202不锈钢6 h之内就产生点状腐蚀,随试验时间延长,腐蚀点逐渐扩大,腐蚀产物增多。
304不锈钢经过12 h的盐雾试验其表面就发生浅色锈斑,随着试验时间的延长锈斑的数量增加,但直到试验时间达500 h, 304不锈钢表面的锈斑仍然较浅。
201、202及304不锈钢, 500 h盐雾腐蚀试验的腐蚀速率分别为0. 007 1、0. 006 2、0. 002 6 mm /a,200系列不锈钢的腐蚀速率是304不锈钢腐蚀速率的2倍以上。
杨立清,张超,肖俊生. NaCl溶液浓度对304不锈钢腐蚀过程的声发射特征影响[J]. 材料热处理学报,2014:35.12.
使用1500 号砂纸对试样一端表面打磨,并用无水乙醇脱脂棉把试样打磨面清理干净!之后,清理过的试样打磨端浸泡于不同浓度(0.1mol/L和0.3mol/L和0.5mol/L) 的NaCl溶液中,浸泡时间为3.5h。
随NaCl溶液浓度增加,腐蚀的起始时间分别为0.69s、0.79s和0.72s。
试样受腐蚀达到最终稳定值的时间先增加后减小,尤其是0.5mol/L浓度下,其时间仅为 2.92s 达到最终稳定值,这说明在该浓度下,一开始试样受腐蚀就比较强烈,这种状态一直持续至实验结束。
随浓度增加,腐蚀后304不锈钢表面晶间腐蚀减弱,点蚀坑增多,其尺寸增大,尤其5%mol/L时304不锈钢表面划痕处点蚀严重!。
不锈钢的常见腐蚀情况:点蚀的形成原因-- Cl-离子破坏钝化膜
钢中的缺陷、杂质、夹杂物等破坏了不锈钢钝化膜的完整性,介质中的某些活性阴离子(如Cl-)吸附在金属表面某些点上,使不锈钢表面钝化膜发生破坏。
由于钝化膜破坏处的基体金属显露出来使其呈活化状态,而钝化膜处于钝态,这样就形成了活性-钝性腐蚀电池,从而导致了不锈钢的点蚀。
3.5%Nacl中不锈钢的极化曲线是研究点蚀的常用方法。
200系列不锈钢的点蚀敏感性较高的原因:Mn与N元素
200系列不锈钢向钢中添加Mn、N元素以达到节镍的目的,但是Mn元素会妨碍不锈钢钝化膜的形成,并且生成MnS、(Mn, Fe)S、(Mn, Fe)O等夹杂物,这些夹杂物易成为点蚀的诱发源[6 -8],增加不锈钢的点蚀敏感性。