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不锈钢低温气相钝化技术发明史 精选

已有 4419 次阅读 2023-3-12 12:25 |系统分类:科研笔记

时间飞逝,一晃两年没有在科学网上写点科研感悟了。今天这个主题是我一直以来特别想写的,其特别之处是在于如何在一个古老的技术方向上实现突破的故事。直到今天,为了提高不锈钢在苛刻环境中的耐蚀性,不锈钢硝酸钝化技术仍然是被使用最为广泛的技术手段。替代硝酸钝化的技术进步进展缓慢,无非是在另一种相对污染低的氧化性溶液中,或者是一些苛刻的、繁琐的、高温可控气氛中,实现液相或气相不锈钢钝化。由于操作和使用中的用户体验问题,除了一些有特殊要求的用户,大多数用脚投票没有采用这些新的技术。

2003年,一个机缘巧合接触到大连化物所衣宝廉老师提出的燃料电池不锈钢双极板耐蚀性的技术需求,当时我给出的解决方案是不锈钢电化学抛光+硝酸钝化处理,确实很好地解决了腐蚀问题,但面接触电阻太大,还需要通过复合其它技术手段解决。有了这段经历,一个感觉就是过程污染太大。当时,在心中一直留着疑问,有没有更环保的技术方法呢?

后来调到海洋大学工作后,2006年带本科生论文,就把这个探索性的问题交给孙仁兴。当时的思考是,不锈钢既然在空气中就会自然钝化(耐蚀性一般),那么能不能通过简单的在空气中加热氧化实现呢(其实所有人都会这么想),就把试样放到马弗炉里,发现温度太高不锈钢表面生成的一层耐蚀性很差的氧化皮,但温度降到150,控制氧化时间20-40分钟,不锈钢钝化性能果真大大优于硝酸处理。当时就有一个疑问,是不是太简单了,难道其他人会发现不了?

大概又过了几年(记不清了),又带另一个本科生论文去重复。意外发生了,同样的材料、马弗炉设备和方法,得到的钝化效果却极差!怎么会呢,实验过程我可是亲自动手都做过的,困惑、煎熬了一个月。有一天,突然想起来唯一的差别在于,上一个学生马弗炉的热电偶插孔位置是用石棉堵着的。而现在,期间热电偶坏了,更换了新的之后就没堵着,难道问题在这儿,不敢相信,但还是去尝试用石棉堵上插孔。呵呵,科研很有意思的一点就在此,神奇的是所有测试结果都可以重复了。马上意识到,一个小小的操作,意味着空气对流是造成好坏之别的根源。那就用更普通的恒温干燥箱吧,把所有通风口用胶带粘上,一试可行。

2012年,带着这一发现,尝试去解决中车长客的不锈钢车体整车钝化,用户反馈150℃处理温度太高,非金属零部件受限。那可不可以进一步降低处理温度,考虑到不锈钢钝化膜使用中通常80℃以上耐久性变差,反向思维就是可能80℃作为临界温度空气中钝化处理,通过控制钝化时间是可行的。这样问题就简单了,发现80℃、80min在相对密闭的箱体中不锈钢低温气相钝化被发明。太幸运了,这么一个不需要任何试剂、不需要复杂工装、低能耗的钝化处理工艺就被我发现了。

随着年龄的增长,觉得很多技术捂在手里也没多大意思,倒不如用于公益。在这一技术发现的15年后,芦永红老师和我一起设计了一系列实验,目的就是解释这一技术为什么好用,背后的本质是什么。概括起来就是,不锈钢自然钝化是由于表面铬氧化物的生成,而自然条件下生长缓慢(相当于一个有益的自然老化过程),通过加热可以促进这一过程,在较短时间内生成致密的富铬钝化膜;但加热时间过长,空气中氧浓度过高和对流的影响,不锈钢中铁元素会更多迁移至表层(本质上源于热力学上铬比铁易氧化、动力学上铁的扩散速率更高,综合的结果导致要在一个相对封闭的空间中有适宜的温度和对应的时间点),钝化膜耐蚀性反而变差;这不同于硝酸中钝化膜的形成机理,在硝酸中是依赖于铁氧化物的优先溶解,从而得到富铬钝化膜,但这种溶解过程必然导致钝化膜的致密性不高,使得硝酸处理形成的不锈钢钝化膜只有短时的耐蚀性提高。不锈钢低温气相钝化技术,适用于各种不锈钢加工装备制造业,意义就不多说了,相信明眼人一眼可见。

每个人都向往有意义的人生,无论大小,希望今天的故事能给您带来或多或少的启发吧。

附注:https://doi.org/10.1007/s00343-021-1168-9(投稿过corrosion science,可惜编辑不认可,算了,不问西东,也许我们文章的路数不符合高大上的趋势,呵呵)




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