CN108893687A - 一种低成本高防腐蚀的新钢材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低成本高防腐蚀的新钢材，按重量百分比计含有如下原料组分：碳0‑0.15%、锰5.50‑7.50%、硅0‑1%、磷0‑0.060%、硫0‑0.030%、铬10.8‑11%、氮0‑0.25%、铈0.01‑0.012%、剩余的为铁；成本节约：一吨201钢材在市场上的价格为9800元上下；耐不锈钢腐蚀性能提升：当钢中含有少量分稀土元素铈时，由于铈元素的含量较低，对提高基体的电极电位而言，影响不大。

Description

一种低成本高防腐蚀的新钢材及其制备方法

技术领域

本发明属于钢铁领域，具体涉及一种低成本高防腐蚀的新钢材及其制备方法。

背景技术

近年来，随着冶金工业的快速发展及日常生活水平的提高，不锈钢的使用量大大增加，基于此种背景，200系列的不锈钢应运而生，在各个领域取得广泛的应用。这些大量研究与应用加速了铬镍系奥氏体不锈钢的发展。201不锈钢由于低成本越来越受到人们的关注，但耐蚀性有待于改善。所以在提高耐蚀性的同时，降低不锈钢的成本已经成为现在冶金学的主要研究方向之一。经研究发现以稀土元素铈在201不锈钢中对其抗蚀性的作用为尤为显著，并对其作用机理做了深入的研究，利用稀土改善201不锈钢的耐蚀性能并降低成本。我国稀土产量及储量均居世界前列，但对稀土的利用及研究却低于国外先进水平。如今在不锈钢的冶炼中，稀土的净化钢液、改善组织、形成夹杂物的功能已经被冶金学界所周知。随着功能性材料科学的日益发展，功能性材料的研究已经延伸向许多科学领域并已经取得显著效果，耐蚀性材料学也已成为材料学中的新兴研究领域。经研究证明，稀土元素在不锈钢中会产生较好的耐蚀性。其效果可与304不锈钢的功能相媲美，基于此种理论，本发明是通过加入稀土元素铈来提升在201不锈钢的耐蚀性，且去除了贵重金属镍（NⅠ），降低了30%以上的贵重金属铬（Cr），加入了廉价的铈（Ce），大幅度降低了成本；

产品是全钢结构的装配式建筑、不锈钢家具、家电、建材、橱柜、衣柜、书柜、水汽阀门、各种壳体、各种箱体、容器，在设计施工时会使用大量的薄壁型轻钢材料，目前常规使用的材料为201钢材，但是这种高强度钢材的抗腐蚀性能不足，且成本偏高；为了在生产流程中成本控制和抗腐蚀性能的提高，我方自主研发了新型钢材，在不影响钢材力学性能的基础上，使用稀土元素铈（Ce）来替代不锈钢中的镍（NⅠ），降低铬（Cr）的含量，在提高新钢材的抗腐蚀性能的前提下降低材料成本；

近年来稀土在防腐蚀中的应用：稀土铈元素和稀土铈氧化物作为防腐添加剂。稀土铈在合金表面的应用。稀土铈用于合金表面有几种方法：包括合金法、离子注入法和金属表面沉积法。稀土铈用于控制高温硫化作用；稀土铈作为液相腐蚀的缓蚀剂；稀土铈作为变换涂料；钢铁和铝合金采用变换涂料防护是另一类广泛采纳的防腐技术。在金属表面生成变换涂层的常规方法是将其浸泡在化学试剂中 , 与合金反应生成一层保护层。在钢铁和铝合金表面生成磷酸盐和铬酸盐的方法早已屡见不鲜 , 但铬酸盐是致癌物质 , 因此科研人员正在努力寻求铬酸盐的无毒替代品。从前面提到的稀土缓蚀剂 , 得知稀土离子对金属和合金的液相腐蚀具有缓蚀作用。有鉴于此 , 开发了稀土变换涂料；稀土铈用于锌基合金，能改善锌基合金熔体热浸镀钢的抗蚀能力。稀土铈用于自润滑涂层，起金属表面缓蚀剂作用。稀土铈作为添加剂加至燃油中，以减少热盐腐蚀的影响。稀土铈间接加到油漆体系中。稀土铈离子被吸收在油漆颜料氧化硅或氧化铝颗粒上 , 随后在漆面上扩散 , 释放出稀土离子，进而起到被涂金属基的缓蚀效果；

现有201钢材的缺点。

1) 成本劣势

200 系列的奥氏体不锈钢以其低廉的成本已引起了人们的关注。目前的研究已经确认，为了防止在奥氏体不锈钢中形成铁索体相，最根本的办法是提高钢中奥氏体形成元素的含量，镍当然是其中最重要的首选元素。随着镍和铬的价格不断上涨，从经济角度出发，新型的替代材料便越来越受到人们的重视。

我国稀土产量及储量均居世界前列，其中铈是稀土元素中储量最高的，对比着不断上升的镍价和铬价，采用储量巨大且成本低廉的铈将有效的降低材料成本。

2) 201不锈钢的防腐蚀性能无法满足实际需求

201是节镍型产品，镍的平均含量为4.5%。从防腐性能上分析，201只有有限的防腐性能，有磁性，这导致201不锈钢耐蚀性不是太好，在户外如果没有腐蚀气氛的话可以用两年，如果有腐蚀气氛的话，可能几个月就锈蚀了，这种使用寿命相对与全钢建筑的50年以上的使用年限相距甚远。如果想提高耐蚀性，就需要进行表面的二次处理，比方说采用涂刷涂层、钝化等表面处理方式。这样会产生二次工序，无形中增加了成本和对大气的污染。

发明内容

本发明主要解决的问题是201不锈钢的成本偏高和耐蚀性能差，提供一种低成本高防腐蚀的新钢材及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种低成本高防腐蚀的新钢材，按重量百分比计含有如下原料组分：

碳0-0.15%、锰5.50-7.50%、硅0-1%、磷0-0.060%、硫0-0.030%、铬10.8-11%、氮0-0.25%、铈0.01-0.012%、剩余的为铁。

一种低成本高防腐蚀的新钢材的制备方法，包括以下步骤：

（1）熔炼：

以纯铁加至冶炼炉容量的76-80%，待纯铁融化后倒出，使其将炉壁的无关元素带走，从而避免其对钢样品的影响，加入201 不锈钢，将冶炼炉抽真空，通电流使201 不锈钢全熔，待其表面钢液颜色均一后充氩气保护，较之于其他元素，氮在真空时因为真空度分压，使其在熔炼过程中更易向气压低的一侧扩散。故充入少许氩气提高真空侧的气压，减少氮元素的析出，采用二次布料的方式，加入稀土元素铈及氮化铬合金，保证其稀土含量及氮含量趋于稳定，待观察至其溶液成分稳定一致之后，将其钢液浇注至模具之中，冷却后得铸锭；

（2）锻造：

冶炼后的铸锭组织中气泡、疏松、大块夹杂均很难避免。故冶炼后的样品要进行锻造处理，因为本发明用钢所加入的锰、镍、氮元素皆为强奥氏体形成元素，这使得其奥氏体形成能力大大加强。试验用钢的铸态组织为奥氏体，且随着温度的升高其并无相变，将铸锭置入加热炉中缓慢加热，入炉温度为 500-600℃，缓慢加热至1100-1150℃，保温至试样内外温度趋于一致，在900-905℃时停止锻造，锻后空冷；

（3）固溶处理：

为了使试验样品获得更好的性能，改善锻造组织缺陷，对试验钢进行热处理。研究试验钢为奥氏体不锈钢，热处理的主要目的是消除未溶的碳化物及组织不均匀性，从而提高材料的耐腐蚀性。为了消除未溶的碳化物、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性，需要对试验钢在锻造后进行固溶处理，固溶处理的工艺是将合金加热至单相区，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后急冷至常温，得到过饱和的固溶体。从而使材料的一些性能（尤其以韧性和抗蚀性）得以提高，同时对消除应力及软化材料亦有一定的作，具体方法为将锻造后的合金加热至1050-1100℃，然后急冷至常温。

本发明的优点：

（1）成本节约：一吨201钢材在市场上的价格为9800元上下，需要使用45公斤左右的镍（NⅠ），170公斤左右的铬（Cr）。一公斤镍（NⅠ）的价格大约为100元左右，一公斤铬（Cr）价格大约为60元左右，新配方稀土元素铈（Ce）的价格在10元上下，成本节约较多；

（2）耐不锈钢腐蚀性能提升：当钢中含有少量分稀土元素铈时，由于铈元素的含量较低，对提高基体的电极电位而言，影响不大。但铈元素的性质较为活泼，易于其他阴离子形成钝化层，使试样抗蚀性提高。并且，元素铈对非金属夹杂有一定的净化作用，亦会使其基体纯净而减少原电池作用。然而，稀土化合物与基体的电极电位存在差异。加之腐蚀溶液作为电解质的存在。使其构成原电池从而耐蚀性降低，故而稀土元素对试样耐蚀性的影响为此两方面影响相互作用的结果。

综合结果来分析，稀土元素铈在 0%含量至 0.012%其增加试样的耐蚀性的效果占主要影响。而在超过0.012%含量时其降低耐蚀性的方面占主要作用。所以稀土元素铈含量为 0.012%的钢种耐蚀性为最佳。

说明书附图：

图1：试验技术路线图；

图2：热处理温度随时间变化曲线；

图3：电化学试验的试样示意图；

图4：三电极测量体系的工作原理；

图5：电化学阻抗谱测试的原理；

图6：不同含铈的201不锈钢的交流阻抗谱（腐蚀3天）；

图7：不同含铈的201不锈钢的交流阻抗谱（腐蚀7天）；

图8：不同含铈的201不锈钢的交流阻抗谱（腐蚀18天）；

图9：不同含铈的201不锈钢的交流阻抗谱（腐蚀30天）；

图10：不同含铈的201不锈钢的交流阻抗谱（腐蚀45天）；

图11：试验等效电路图；

图12：201不锈钢试样在浸泡第3天的极化曲线；

图13：201不锈钢试样在浸泡第7天的极化曲线；

图14：201不锈钢试样在浸泡第18天的极化曲线；

图15：201不锈钢试样在浸泡第30天的极化曲线；

图16：201不锈钢试样在浸泡第45天的极化曲线。

具体实施方式

实施例

1)试验样品用钢的熔炼

试验所用钢的原料为的201 系不锈钢，其具体成分如下表所示：

表1试验样品成分

本试验拟于在此样品中加入稀土元素铈，由于金属铈性质活泼且与氧的作用非常强烈。曝露在空气中稍经摩擦便剧烈燃烧，故试样的冶炼需在先抽真空后充氩的条件下进行。其过程如下：

a)先以纯铁棒洗炉：以纯铁加至冶炼炉容量的 80%，待纯铁融化后倒出，使其将炉壁的无关元素带走，从而避免其对钢样品的影响。

b)将预先准备的 201 不锈钢加入，抽真空。然后通电流使其全熔。待其表面钢液颜色均一后充氩气保护。

c)较之于其他元素，氮在真空时因为真空度分压，使其在熔炼过程中更易向气压低的一侧扩散。故充入少许氩气提高真空侧的气压，减少氮元素的析出。

d)采用二次布料的方式，加入定量的稀土元素铈及氮化铬合金，保证其稀土含量及氮含量趋于稳定。待观察至其溶液成分稳定一致之后，将其钢液浇注至模具之中。

试样的成分配制是以 201 试验用钢为基体并加入一定量的稀土元素来实现的。在加入量上，由于其固溶量很低，基本在几个到几十个 ppm，有的能达到上百个 ppm，故加入量不宜太大，这里选择 0%，0.1%，0.55%，1%四个不同加入量以便于进行对比分析研究。具体成分表如下：

表2 稀土201不锈钢的冶炼配料化学成分（Wt%）

标号	0#	1#	2#	3#	4#
						201钢原料	4000g	3996g	3978g	3960g	3920g
Ce加入量	0g	4g	22g	40g	80g
						含量比	0%	0.1%	0.55%	1%	2%

2)试验钢样品的锻造

冶炼后的铸锭组织中气泡、疏松、大块夹杂均很难避免。故冶炼后的样品要进行锻造处理。

因为试验用钢所加入的锰、镍、氮元素皆为强奥氏体形成元素，这使得其奥氏体形成能力大大加强。试验用钢的铸态组织为奥氏体，且随着温度的升高其并无相变。将铸锭置入加热炉中缓慢加热，避免其内外温差过大产生热应力导致钢的变形与开裂。综合以上所述，其入炉温度应以 500℃至600℃为宜，加热至锻造温度应至1100℃，保温至试样内外温度趋于一致，其时间应按经验公式0.6 至 0.8 分钟/毫米进行估算，终锻温度为 900℃。锻造的量应均一一致。将铸锭锻制为 25mm×25mm 的方棒，锻后空冷，标记以方便检测。

3)试验钢样品的热处理

为了使试验样品获得更好的性能，改善锻造组织缺陷，对试验钢进行热处理。研究试验钢为奥氏体不锈钢，热处理的主要目的是消除未溶的碳化物及组织不均匀性，从而提高材料的耐腐蚀性。为了消除未溶的碳化物、均匀组织、消除内应力、降低硬度和改善钢的切削加工性，需要对试验钢在锻造后进行固溶处理。

固溶处理的工艺是将合金加热至单相区，使过剩相充分溶解到固溶体中，然后急冷至常温，得到过饱和的固溶体。从而使材料的一些性能（尤其以韧性和抗蚀性）得以提高，同时对消除应力及软化材料亦有一定的作用。

固溶处理保温时间的确定：保温的目的是为了使碳化物溶解，而且可以使奥氏体的成分均匀化。本试验中，对于保温时间的确定，我们采用式 2.1 的经验公式。

τ=a·K·D （式1）

式 1 中：τ—保温时间，单位为mⅠn；

a —加热系数，一般取a=（1.5~2）mⅠn/mm；

K —工件装炉方式修正系数，在非真空炉中加热时，当工件进炉时炉温

已经达到规定温度，并且在整个过程中没有影响炉温，或者炉温稍

有下降较短时间内升到规定温度时，K值取4；其他情况K值取1；

D —工件有效厚度，单位为 mm。

试样的有效厚度为25mm，根据公式：τ=1.6×1×25=40mⅠn。

4) 试验用钢的成分的检测分析

本研究中采用分光度检测法测定了研究试样的铬、锰、镍、氮、碳、铈六种元素的含量，其中锰元素加入的作用是为了形成奥氏体，铬、镍的主要目的是提高电极电位。

氮在合金中的溶解度偏低是高氮钢生产中需解决的最主要的难题，目前解决此类问题的方法应用比较广的有：粉末冶金、高压吹氮、补充氮化物合金的方法。本试验所采用的方法是冶炼中补充氮化铬合金，因氮元素在合金中的固溶度并不大、且真空的环境中有逸出的趋势。但其含量对试样钢的机械性能影响很大，故测定试验钢的成分含量时应着重关注；在稀土与钢液反应的物理化学方面也有若干研究结果发表，归纳了稀土元素在铁液中与其它元素的交互作用，得出稀土元素可以降低 Nb、V、TⅠ、Cu 等元素的活度，并相互增加溶解度；因为稀土元素的化学性质较活泼，相对与合金中的金属元素结合而言其更易于与 O、S 等元素相结合，故其更有造渣的倾向，使得控制其残留量比较困难。

表3 本研究中试验钢的具体检测成分如下表所示。

样品编号	Cr	Ce	Mn	NⅠ	N	C
							0#	13.05	—	10.21	0.96	0.17	0.085
1#	13.27	0.0018	10.63	0.88	0.18	0.11
							2#	13.32	0.0071	10.54	0.90	0.18	0.10
3#	13.42	0.012	10.64	0.89	0.19	0.077
							4#	14.23	0.08	11.21	0.98	0.18	0.083

5)试验用钢的微观组织观察

因为试验所测试的奥氏体不锈钢硬度较低，为了避免加工硬化及金相试样切割所产生的热影响其组织，故采用电火花切割。其大小以便于握持为准，考虑到试样尺寸的影响，故将试样切为 10mm×10mm×20mm 的样品。经 200#至1000#的砂纸打磨，然后进行机械抛光处理。试样的机械抛光除了要使表面光滑平整之外，更重要的是减少表层损伤，每一道打磨工序必须去除前一到工序的变形层，至少应使前一到工序产生的变形层减少到本道工序所产生的变形层的深度。以便于进行下一道工序。而后，进行抛光过程，将磨制过程中的变形层去除。并使抛光产生的变形层不影响组织的观察。

在本试验中，采用AxⅠovert 25 型蔡司金相显微镜和 QUANTA 400 型环境扫描电子显微镜对试样进行显微组织观察，同时对含稀土元素铈不同量的样品其夹杂物形态、成分及能谱分析，比较稀土含量不同时钢的组织与夹杂物形态的变化。

6)试验用钢的耐蚀性及电化学分析

对试样进行电化学测量的主要任务是通过测量包含电极过程中各种动力学信息，其中最主要的代表是电势、电流两个物理量，通过研究它们在各种极化信号下的变化关系，从而得到电极过程的不同参数。

对于测试电化学耐腐蚀性能的试样，预先要进行制腐蚀样品的制备，其方法为：用电火花切割机将试样加工成10mm×10mm×3mm的方片状，在其10mm×10mm的一个表面点焊接导线以利于其电响应信号的测量，然后用环氧树脂加乙二胺固化剂混合进行封装，试样的示意图见图3所示。封样后重磨点焊后相对的另一个曝露在外的表面。测得试样的有效工作面积为100mm 2。

试验所用的电化学测量方式为三电极测量体系，其辅助电极为Pt电极，其工作面积为4cm 2 ，其参比电极为饱和KCl溶液所浸泡的甘汞电极，工作电极为制作好的电化学样品。其腐蚀溶液为3.5%氯化钠溶液。其工作原理图如图4所示：

同时，在极化条件与平衡电势的条件下，需要研究电化学系统的交流阻抗与频率段的变化关系，亦可选定在某一频率下，研究交流电流的振幅与相位随频率的变化关系，基于电化学系统的交流阻抗定义进行研究。

1 .试验记录

1)电化学阻抗谱的测量

电化学阻抗谱测试是一种测耐蚀性影响比较常用的方法，测量阻抗的方法如今发展出很多种，如：断电流法，脉冲伏安法，线性电势扫描伏安法，其基本原理是用一个正弦波电流信号对一个线性系统进行激励扰动，而其系统的响应为一个正弦电压信号，此种行为对于整个电机系统来说，其最基础的原理是以一个正弦波的电流密度使电极极化，而响应则是同一频率正弦波的极化值信号，线性系统相应的输出了一个正弦波的极化值电压信号。同理，如果线性系统为电极系统，其电极系统输出了一个正弦波的极化信号。

如图5所示,对一个线性化的电极系统输入一个正弦信号的扰动，电极系统输出

一个正弦波的极化电流密度响应。

相对于本试验所采用的三电极体系而言，当一个电极系统的电位或经过电极系统的电流变化及Ⅰ时，对应的流过电极系统的电流与电极系统的电位亦会随之变化。即如上所说的电路收到电压或电流扰动信号作用时有响应的电流或电压，即Ⅰ与U类似。当我们用一个角频率为ω的振幅足够小的正弦波的电流信号差值Ⅰ对于一个相对稳定的电极系统进行扰动，系统输出的电极电位也为角频率为ω的正弦波。在不同角频率测得的电极的频响函数，即为本测试系统的电化学阻抗谱。

本试验选择的试样浸泡周期为3、7、18、30、45 天，试验所用的腐蚀溶液为模拟海水的3.5%氯化钠溶液，其得到的电化学阻抗谱主要以能奎斯特图和阻抗波特图表示，能奎斯特图的横坐标为是以阻抗的实部，纵坐标为阻抗的虚部。波特图由两条曲线组成。其中一条称之为波特模图，即曲线描述阻抗的模值随频率的变化关系。

另一条称为波特相图，描述相位角随频率与阻抗的变化关系，波特模图与波特相图相结合方可完整的显现阻抗的特征。

表4 不同含铈的201不锈钢的交流阻抗参数（腐蚀3天）

表5 不同含铈的201不锈钢的交流阻抗参数（腐蚀7天）

表6 不同含铈的201不锈钢的交流阻抗参数（腐蚀18天）

表7 不同含铈的201不锈钢的交流阻抗参数（腐蚀30天）

表8 不同含铈的201不锈钢的交流阻抗参数（腐蚀45天）

本试验所采用的电化学阻抗模拟如图11所示：依据试样钢中在腐蚀溶液中所呈现的电化学特性，故采用如下图所示的等效电路图进行模拟。

如图11：其中Rs 代表工作电极与参比电极间溶液的电阻值，Rp为对应于电极反应中的极化电阻。由于试样的容抗弧半径越少，极化电阻Rp越小，而极化电阻Rp与腐蚀电流密度即腐蚀速率成反比，图中的CPE为角相位元件，其本质为非法拉第过程引起的导纳，换算为阻抗可用式来得到；

则试样的腐蚀速率越大，试样的耐蚀性越差，腐蚀程度越严重。试验所采用的信号为10mV 的正弦电压信号，其阻抗腐蚀溶液为3.5%NaCl试验溶液。如图6至图10中所示，在图中对应的阻抗谱半径越大则相应的阻抗也越大，按此理论可观察得抗蚀性与稀土元素铈含量的关系在质量分数低于 0.012%的情况下，其耐蚀性随稀土元素铈的增加而增加，在图中及所拟合出来表的数据来佐证，及其容抗弧半径与所对应的Rp值随着稀土元素铈的质量分数有显著的提升效果。但当钢中稀土元素铈含量显著增加时，如本试验中的4#试样所示的质量分数增至 0.8%时，其抗蚀性反而下降。结合所有时间的图像进行分析，可知随着浸泡时间的延长，其阻抗大致呈现先减少后增加的趋势。在经过模拟海水溶液浸泡后，由图中可得出浸泡 7 天时的样品与浸泡3天的比较，耐蚀性呈现变差的趋势。这是由于刚开始试样平面洁净光滑，具有较好的耐腐蚀性，然而随着时间的延长所导致的试样与腐蚀溶液接触面发生的化学反应，使其试样表面的局部区域出现了锈层。从而使得试样表面的已腐蚀区和未腐蚀区电位变化，出现电位差，因而增加腐蚀倾向，当试样表面全部被腐蚀，并且在表面形成一层致密的保护膜即钝化膜后，由于阻隔了溶液中的离子特别是氯离子与试样表面的接触，从而降低了试样的腐蚀性。

2)极化曲线的测量

极化曲线是在一个电极上同时发生若干个电极反应，其关系一般用电极电位 E 与电极的外测电流密度Ⅰ的坐标表示，或在lg|Ⅰ|的坐标系统中表示电极电位与外测电流密度之间的关系表示，或者用极化值E代替电极电位 E 来表示。此种关系在横纵坐标轴中所作的对应曲线成为极化曲线（polarIzatIon curve）。若以 Ecorr 与Icorr 表示待测试样的腐蚀电位及腐蚀电流。其遵循如下方程式：

通过测得的曲线可反映出其耐蚀性的情况。综上所述，曲线中耐蚀性越好的试样一般所对应的腐蚀电位较大，腐蚀电流密度较小。故在曲线中可以用腐蚀电位的高低对试样的耐蚀性加以甄别。

表9 201不锈钢试样在浸泡第3天极化曲线的拟合值

表10 201不锈钢试样在浸泡第7天极化曲线的拟合值

表11 201不锈钢试样在浸泡第18天极化曲线的拟合值

表12 201不锈钢试样在浸泡第30天极化曲线的拟合值

表13 201不锈钢试样在浸泡第45天极化曲线的拟合值

本试验旨在测量试样的腐蚀电位Ecorr与腐蚀电流 Icorr从而对于试样的耐蚀性有一个侧面的比较。图12至16为试验用钢在不同浸泡时间内所对应的极化曲线，而表9至13所对应的值为其极化曲线所对应的量化值，由上述5个周期所测得的极化曲线的测量及采用塔菲尔拟合所得的结果，可得相对于同一浸泡时间不同稀土元素含量的试验用钢而言，其耐蚀性在铈的质量分数为 0.012%以下的范围内随着铈元素的质量分数的增加耐蚀性提高，然而在其铈的质量分数达 0.8%时，其耐蚀性呈现下降的趋势。

而比较在腐蚀溶液中浸泡 18 天的样品，其数据可以显示出在 18 天的情况下，加稀土量最多的4#样呈现耐蚀性显著增加的状态。这是由于因钢中含稀土元素量较大，在腐蚀液为3.5%NaCl 溶液的前提下，待测样周围的溶液离子为水中解离出的OH-与H+，腐蚀液中氯化钠电离出的Cl-与Na+，因为铈元素很容易失电子成为3、4价的阳离子。如下述方程式所示，故其能与溶液中的OH-与Cl-结合生成可溶性的氯化铈和微溶的氢氧化物，铈的氢氧化物会沉积在试样表面阻碍其离子的迁移与扩散。但当其钝化膜累计至一定程度时，在试样表面的各种离子的扩散会受钝化膜的阻碍，这就使得溶液中存在的离子或原子团中尺寸较小的更易扩散，溶液中的四种离子中其尺寸最小的离子为H+。故其表面上的H+浓度应大于其他位置，这就使得试样表面的 PH 值比较小，导致随后的腐蚀会继续进行，形式主要为酸性环境主导的析氢腐蚀。随着腐蚀层的剥落与溶解，其随着时间的增加阻抗减小。

2Ce3++ 6OH-= 2Ce(OH)3↓

4Ce(OH)3+O2+ 2H2O = 4Ce(OH)4↓

4 Ce3++ 6 H2O+ O2= 4CeO2↓+12H+

3)稀土元素铈对201不锈钢耐蚀性的影响及分析

不锈钢耐蚀性优于其他钢种，其原因是不锈钢中添加了大量的铬、镍元素。这些元素添加至钢中可以发生两个方面的影响：一是提高材料本身的电极电位，对于本试验的钢种来说锰、镍、氮元素也是强奥氏体化形成元素。可使其在室温下获得单相的奥氏体组织，使其成分更均匀，表面的为腐蚀微电池反应数目减少。二是钢中加入的合金元素也可使钢的表面形成结构致密、不溶于腐蚀介质、高电阻的保护膜，可改变钢的表面形态使试样的电极电位升高，及发生钝化反应，使钢的表面很快形成一层致密、稳定、完整并能与铁的基体牢固结合的 Cr2O3钝化膜，阻止钢的进一步腐蚀。

当钢中含有一部分稀土元素铈时，由于铈元素的含量较低，对提高基体的电极电位而言，影响不大。但铈元素的性质较为活泼，易于其他阴离子形成钝化层，使试样抗蚀性提高。并且，元素铈对非金属夹杂有一定的净化作用，亦会使其基体纯净而减少原电池作用。然而，稀土化合物与基体的电极电位存在差异。加之腐蚀溶液作为电解质的存在。使其构成原电池从而耐蚀性降低，故而稀土元素对试样耐蚀性的影响为此两方面影响相互作用的结果。综合本试验结果来分析，稀土元素铈在0%含量至0.012%其增加试样的耐蚀性的效果占主要影响。而在0.8%的含量时其降低耐蚀性的方面占主要作用。

故对于本试验所采用的201不锈钢而言，其耐蚀性随稀土元素含量的增加呈下降的趋势，经由试验时间为3天、7天、18天、30天和45天的时间测定，对于本实验的研究范围而言，其稀土元素铈含量为 0.012%的钢种耐蚀性为最佳。

Claims (2)

1.一种低成本高防腐蚀的新钢材，其特征在于，按重量百分比计含有如下原料组分：

碳0-0.15%、锰5.50-7.50%、硅0-1%、磷0-0.060%、硫0-0.030%、铬10.8-11%、氮0-0.25%、铈0.01-0.012%、剩余的为铁。

2.一种如权利要求1所述的低成本高防腐蚀的新钢材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）熔炼：以纯铁加至冶炼炉容量的76-80%，待纯铁融化后倒出，加入201 不锈钢，将冶炼炉抽真空，通电流使201 不锈钢全熔，待其表面钢液颜色均一后充氩气保护，采用二次布料的方式，加入稀土元素铈及氮化铬合金，待观察至其溶液成分稳定一致之后，将其钢液浇注至模具之中，冷却后得铸锭；

（2）锻造：将铸锭置入加热炉中缓慢加热，入炉温度为 500-600℃，缓慢加热至1100-1150℃，保温至试样内外温度趋于一致，在900-905℃时停止锻造，锻后空冷；

（3）固溶处理：将锻造后的合金加热至1050-1100℃，然后急冷至常温。