什麼是鈍態

金屬表面形成厚度數nm左右的緻密氧化膜,使熱力學上應該溶解的金屬幾乎停止溶解的狀態。

日文名稱: 不動態

「鈍態」出現在2領域的2道練習題中(腐蝕與表面處理, 材料的加工與接合等)。

這個名詞所屬的領域: 腐蝕與表面處理

鈍化膜的作用

鐵、鉻、鎳、鈦、鋁等,依條件會在表面形成厚度數nm左右的緻密氧化物(或氫氧化物)膜,使金屬的溶解速率減小好幾個數量級。這種狀態就是鈍態。即使以電位而言是活潑的金屬,由於膜隔開了金屬與環境,實際的腐蝕也非常少。在不鏽鋼中由富含Cr的膜、在鈦中由TiO₂膜發揮這個作用。膜很薄而看不見,因此金屬的光澤得以保持。

得以維持與遭到破壞的條件

鈍化膜在有氧或氧化劑的環境中,即使受損也會自然再生。例如鐵在濃硝酸中成為鈍態,幾乎不溶解。另一方面,在缺氧的間隙中或鹽酸這類還原性酸中,膜不易再生,一旦破壞就會進行活性溶解。特別是氯離子會局部破壞膜的弱點,因此海水中的不鏽鋼會有孔蝕與間隙腐蝕的問題。對於鈍態材料,需要注意的是局部腐蝕而不是全面腐蝕。

以電位與電流看鈍態

在一邊逐步提高金屬電位、一邊量測溶解電流的極化曲線中,起初電流隨電位增加,但超過某個電位(鈍化電位)後電流急遽下降,在寬廣的電位範圍內保持小值。這個範圍就是鈍化區。再提高電位時,會出現膜被破壞而電流再次增加的過鈍化區,以及有氯化物時的孔蝕電位。孔蝕電位越高,可說是越耐孔蝕的材料,被用作鋼種選定與評估的指標。即使是相同材料,溫度或氯化物濃度上升時孔蝕電位也會下降。

練習鈍態的題目

不鏽鋼在大氣或水中不易生鏽的主要理由為下列何者?

  1. A添加Ni使合金的標準電極電位變得與金或鉑一樣惰性,因而不易溶解
  2. B表面成長出厚度達數mm的緻密氧化皮,使金屬與外界的水與氧完全隔絕
  3. C含Cr約11%以上,表面形成厚度數nm的鈍化膜並能自行再生
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正確答案:C. 含Cr約11%以上,表面形成厚度數nm的鈍化膜並能自行再生

不鏽鋼含Cr約11%(規範定義為10.5%)以上,因此表面形成以Cr氧化物為主、厚度僅數nm左右的鈍化膜,防止金屬進一步溶出。重要的是,在有氧的環境中,鈍化膜即使受損也會自然再生。因此鈍態在硝酸這類氧化性環境中容易維持,在缺氧、氯離子多或還原性酸(鹽酸等)的環境中則容易被破壞。合金整體的電位並不會變得像金或鉑那樣惰性,Ni的主要作用是穩定沃斯田鐵組織。厚達數mm的氧化皮是高溫氧化形成的,容易破裂或剝離,與鈍化膜完全不同。

焊接SUS304等沃斯田鐵系不鏽鋼時,在離焊道稍遠的熱影響區有時會發生晶界腐蝕(weld decay)。其原因與對策的組合何者正確?

  1. A焊接的熱使熱影響區的沃斯田鐵轉變為麻田散鐵,使晶界變弱。焊接後再進行一次淬火
  2. B熔融部的高溫使Cr蒸發,焊接金屬的Cr含量降到12%以下。改用含Cr量多的焊條並增大焊接的入熱量
  3. C約500~800℃的熱影響區晶界析出Cr碳化物而周圍缺Cr。改用SUS304L或含Ti、Nb鋼
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正確答案:C. 約500~800℃的熱影響區晶界析出Cr碳化物而周圍缺Cr。改用SUS304L或含Ti、Nb鋼

離焊道稍遠的熱影響區中,有一個暴露在約500~800℃溫度一段時間的帶狀區域。該處的晶界析出Cr₂₃C₆等Cr碳化物,緊鄰晶界處的Cr濃度降到無法維持鈍態的值,因此腐蝕沿晶界進行。這稱為敏化。對策是使用減少形成碳化物之碳的低碳鋼(SUS304L)、使用將碳固定為Ti或Nb碳化物的穩定化鋼(SUS321或SUS347),以及焊接後進行固溶化熱處理使碳化物再固溶。沃斯田鐵系不鏽鋼淬火不會變成麻田散鐵,Cr的蒸發也不是主要原因。

常見問題

鈍化膜大約多厚?

在不鏽鋼中是數nm左右的非常薄的膜。與高溫氧化形成的厚氧化皮不同。

鈍化處理是什麼?

以硝酸等氧化性溶液處理不鏽鋼,去除表面的汙垢與鐵粉,確實形成緻密鈍化膜的處理。

不鏽鋼在海水中為什麼有時會生鏽?

因為氯離子局部破壞鈍化膜,引起孔蝕或間隙腐蝕。含Mo的SUS316等鈍化膜較強的鋼種是對策。

解析中的「鈍態」

出現「鈍態」的題目(2題)

  1. 不鏽鋼在大氣或水中不易生鏽的主要理由為下列何者?
  2. 焊接SUS304等沃斯田鐵系不鏽鋼時,在離焊道稍遠的熱影響區有時會發生晶界腐蝕(weld decay)。其原因與對策的組合何者正確?

相關名詞

不鏽鋼 焊接熱影響區 敏化 麻田散鐵 孔蝕 局部電池 法拉第定律 電偶腐蝕 標準電極電位 應力腐蝕破裂

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