什麼是孔蝕

氯離子等局部破壞鈍化膜,小孔逐漸被深挖的局部腐蝕。在不鏽鋼與鋁中成為問題。

日文名稱: 孔食

「孔蝕」出現在2領域的2道練習題中(腐蝕與表面處理, 生醫材料等)。

這個名詞所屬的領域: 腐蝕與表面處理

孔蝕的起始與自我加速的機制

孔蝕始於鈍化膜的弱點被氯離子局部破壞。已知在不鏽鋼中,硫化錳(MnS)等夾雜物溶解後的痕跡容易成為起點。大多數小孔會在途中因膜再生而停止(介穩孔蝕),但在持續成長的孔內,溶解的金屬離子水解使溶液變成酸性,為維持電中性氯離子會聚集,使膜無法再生。孔內成為小陽極,周圍寬廣的鈍態表面成為陰極,因此只有孔底快速地往下挖。

鋼種的選擇:抗孔蝕當量與臨界孔蝕溫度

不鏽鋼抗孔蝕能力的標準,常用抗孔蝕當量 PREN = Cr + 3.3Mo + 16N(各元素以質量%計)。SUS304約為18〜20,SUS316約為24,雙相不鏽鋼SUS329J3L(相當於2205)約為35,長期接觸海水的用途有時會選擇40以上的鋼種。此外,在氯化鐵溶液等中提高溫度、求出開始孔蝕之溫度的臨界孔蝕溫度(CPT)也用於比較。PREN是由組成計算的標準,實際的耐孔蝕能力會因焊接部或表面狀態而改變。

從減少的重量看不出危險

孔蝕中即使整體只溶解了極少量,只要1個孔貫穿壁厚,管線或槽就會洩漏而無法使用。因此無法像全面腐蝕那樣,以質量減少或平均腐蝕速率評估壽命。孔很小,表面又常被鏽或附著物覆蓋,因此只靠目視檢查時容易漏看。在實際的評估中,會由有限面積上量得的最大孔深,使用極值統計(Gumbel分布)來推估整個設備的最大深度。

鋁與孔蝕

鋁也是靠鈍態皮膜保護的金屬,在含氯化物的中性水中會發生孔蝕。特別是水中含有微量的銅離子時,銅會在鋁表面析出而成為陰極,促進孔蝕。因此在配管設計上,要避免把鋁零件配置在銅管的下游。對策有以陽極處理形成厚的氧化膜、在熱交換器的管等外面被覆含鋅的層,讓表層優先犧牲(包覆材),以及在氯化物多的環境中避免使用鋁等。

練習孔蝕的題目

將SUS304用於含大量氯離子的海水中時,容易發生的局部腐蝕與其對策的組合,下列何者正確?

  1. A全面腐蝕,增加厚度作為腐蝕裕度
  2. B孔蝕,改用含Mo的SUS316等
  3. C孔蝕,改用提高含碳量的不鏽鋼
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正確答案:B. 孔蝕,改用含Mo的SUS316等

氯離子局部破壞鈍化膜的弱點,引起小孔逐漸被深挖的孔蝕。在孔內,溶解的金屬離子水解使溶液變成酸性,為維持電中性氯離子會聚集,因此腐蝕會自我加速。周圍寬廣的鈍化面成為陰極,孔底成為小陽極,因此有時會急速進行到貫穿。對策是改用含較多強化鈍化膜之Mo、Cr、N的鋼種(含Mo約2〜3%的SUS316等),由這些含量求得的抗孔蝕當量(PREN)是選材的標準。這不是整面均勻減薄的腐蝕,因此增加厚度的對策並不有效。增加碳時晶界容易形成Cr碳化物(敏化),耐蝕性反而下降。

關於氧化釔部分穩定氧化鋯(Y-TZP)人工股骨頭所發生的低溫劣化,下列說明何者正確?

  1. A在有水分的環境中,正方晶從表面變態成單斜晶而體積膨脹,表面變粗糙而強度下降
  2. B在體溫左右的溫度下正方晶逐漸變成立方晶,裂紋尖端的相變韌化作用變得更強而使韌性提高
  3. C體液中的氯離子造成孔蝕,表面出現深孔
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正確答案:A. 在有水分的環境中,正方晶從表面變態成單斜晶而體積膨脹,表面變粗糙而強度下降

Y-TZP藉由介穩的正方晶粒子在裂紋尖端的應力下變態成單斜晶而膨脹的相變韌化,而具有高韌性。然而在有水分的環境中,即使在體溫這樣的低溫下,正方晶→單斜晶的變態也會從表面緩慢進行。約4%的體積膨脹使表面產生微小裂紋與晶粒脫落,表面變粗糙,強度與耐磨耗性下降。這就是低溫劣化(水熱劣化),曾因製造條件使變態加速,造成人工股骨頭破損的問題。因此開發了氧化鋁與氧化鋯的複合材料等。低溫下不會變態成立方晶,也不會使相變韌化變強。孔蝕是金屬鈍化膜局部破壞的腐蝕,並不是氧化物陶瓷的劣化機制。

常見問題

孔蝕與間隙腐蝕有什麼不同?

兩者都是鈍化膜局部破壞的腐蝕,但孔蝕可從平坦表面的任何地方開始,間隙腐蝕則發生在螺栓座面或墊片下方等間隙之中。間隙腐蝕一般在較低的溫度或氯化物濃度下就會發生。

抗孔蝕當量(PREN)如何計算?

以質量%計算 Cr + 3.3 × Mo + 16 × N。例如Cr 17%、Mo 2.2%、N 0.05%時約為25。值越大越有耐孔蝕的傾向,但終究只當作標準使用。

孔蝕為什麼難以預測?

因為開始的地點與時間,受膜的微小缺陷、夾雜物與局部環境的差異左右,是機率性地決定的。一旦開始進行就很快,因此要從材料選擇與檢查兩方面來防範。

解析中的「孔蝕」

出現「孔蝕」的題目(2題)

  1. 將SUS304用於含大量氯離子的海水中時,容易發生的局部腐蝕與其對策的組合,下列何者正確?
  2. 關於氧化釔部分穩定氧化鋯(Y-TZP)人工股骨頭所發生的低溫劣化,下列說明何者正確?

相關名詞

敏化 相變韌化 局部電池 法拉第定律 鈍態 電偶腐蝕 標準電極電位 應力腐蝕破裂 犧牲陽極

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