新型高纯铁素体不锈钢材料应用于太阳能热水器水箱的耐蚀性试验分析

北京清华阳光能源开发有限责任公司 ■ 田燕 赵娟 黄哲林 李旭光

一 引言

由于304不锈钢成本的不断攀升，在太阳能热水器制造行业，找到一种成本低、耐蚀性好的内胆材料代替304不锈钢，意义尤为重大。近几年推出的一种新型高纯度高耐蚀铁素体不锈钢(简称21CT钢)，以低成本(不含镍、钼)、含较高的铬(21%Cr)及极低的碳、氮含量获得高耐蚀为主要特点，是目前在一定环境取代304奥氏体不锈钢的理想材料。新型高纯度高耐蚀铁素体不锈钢(21CT)日本标准规定的成分为：0.008%C、21%Cr、0.3%Ti、0.4%Cu。与日本早已用于太阳能热水器制造的YUS190钢相比，同样都是超低碳的高纯铁素体不锈钢，但21CT含铬更高，且不含钼。由于不含镍、钼，其价格更低。

新型21CT铁素体不锈钢能否作为太阳能热水器的水箱内胆，其焊接后的耐蚀性至关重要。304不锈钢的耐蚀性良好，一直以来都是热水器内胆的首选材料[1,2]。将相同板厚的新型不锈钢与304不锈钢制作成非承压水箱，在相同水质环境条件下做耐蚀性能及寿命对比测试[3]，即可分析出新型不锈钢的性能特点。

二 与304不锈钢耐蚀性的对比测试

1 测试目的

通过21CT和304不锈钢在较高浓度氯离子水[4](含20%NaCl)中的浸泡试验，以及在较低浓度氯离子水(含10%NaCl)环境下进行实际运行试验后所做的测试对比，了解两种不锈钢母材及焊接接头耐腐蚀的能力和使用寿命。

2 测试样品(表1)

表1 测试样品及运行环境

内桶厚度为0.4～0.5mm，容积均为100L，环缝采用搭接缝焊，纵缝采用自动TIG焊。桶内水中加入不同浓度的NaCl。

3 测试方案

1#、3#水箱制作时只在顶部留两个进出水口，焊接时必须将焊接部位用洁净棉丝蘸丙酮擦拭去油污，以保证焊缝不会增碳。焊接后的水箱中装入浓度为20% NaCl的水溶液，水量需覆盖纵焊缝部分，密封后置于阳光下空地进行耐蚀性对比测试。

2#、4#制作的标准太阳能热水器水箱，制成后装配好支架和真空管，在水箱中装满浓度为10% NaCl的水溶液，置于阳光下空地进行实际运行寿命对比测试。

三 实际测试结果及分析

试验自2008年3月开始，11月结束，共进行了近8个月时间。试验现场图片如图1所示，左侧地上为做浸泡试验的3#及1#内桶，右侧为2#、4#运行试验水箱。

图1 测试平台现场图

试验过程中，可能因3#(21CT钢浸泡试验桶)放置不当，使封头边缘与地面接触处压力过大而造成损伤，因而只一周后环缝下端即最早出现渗漏。1#(304钢浸泡试验桶)和4#(21CT钢运行试验水箱)在10月中旬(7个月后)也先后发现渗漏现象。

试验结束后，分别对1#(304浸泡试验桶)、3#(21CT钢浸泡试验桶)、4#(21CT钢运行水箱)进行解剖并做金相分析。2#(304钢运行水箱)直至试验结束并未出现渗漏，故没有将其解剖。

1 1#样品的测试结果及分析

1#(304钢浸泡试验用内桶)锈蚀较轻微，7个月后只有左侧封头上方环缝部位出现个别渗漏处(图2)。经横截面金相分析发现，该处腐蚀是起源于有应力集中的环缝尖缺口处的点蚀，并沿缝焊熔合线深入，最终穿透泄露(图3)。

2 3#样品的测试结果及分析

因3#(21CT钢浸泡试验用内桶)封头边缘下端与地面接触处局部压力大对材料抗腐蚀的不利影响，故两封头下方很快(一周)出现渗漏(图4a)。其他部位经过约3个月的浸泡，纵缝和右封头上侧边缘也出现了腐蚀渗漏(图4b、c、d)。金相显微分析表明，21CT钢桶的环缝、直缝及封头母材处均有不同程度的点腐蚀发生(图5)。

图2 304桶泡7个月后环缝上出现的渗漏

图3 304桶环缝渗漏处横截面的点蚀(×50)

3 4#样品的测试结果及分析

4#(21CT钢运行试验水箱)一直在中高温的10%NaCl水溶液环境下运行，运行几个月后发现有渗漏，但不严重，又继续运行到7个月时漏水明显。运行8个月后做解剖，从外面看在水箱右侧封头和水嘴处有非常明显的锈蚀，切开后在水箱母材和封头母材上还有被腐蚀穿透的小孔，见图6。通过金相分析，发现环缝、直缝及水嘴处水箱的母材均有不同程度的点腐蚀，而304钢的水咀母材上点蚀较少，如图7所示。

图5 3#(21CT钢)腐蚀及渗漏微观视图

图6 4#(21CT钢运行试验用水箱)运行8个月后的外观及除去保温层后表面的锈蚀情况

图7 4#(21CT钢运行试验水箱)腐蚀微观视图

四 结果与讨论

通过近8个月在含较高氯离子水溶液中浸泡及实际运行的对比测试，对新型高纯铁素体不锈钢21CT和304奥氏体不锈钢材料及其焊接接头的耐蚀性和使用寿命有了初步了解。

(1)在较高浓度氯离子水(含20%Nacl)浸泡的耐蚀性试验中，无论从宏、微观的观察分析，还是泄露开始时间和腐蚀程度来看，21CT铁素体不锈钢母材的耐蚀性能较304不锈钢要差，其腐蚀形式为点蚀。同样规律表现在8个月的热水器运行试验中，304钢水箱无泄漏，而21CT钢水箱早已严重泄露。

(2)通过试验可认为，21CT不锈钢在氯离子水中耐点蚀能力不足。分析认为，虽然此钢的优点是含铬量高于444(Cr18Mo2)类型的高纯铁素体不锈钢，但因不含钼(钼在铁素体不锈钢中提高钢种的耐点蚀能力的作用高过铬两倍)，仍然不具备良好的抗点腐蚀的能力。

(3)21CT钢较304不锈钢软，不易加工硬化，其塑、韧性较304钢差，且21CT不锈钢比304钢对焊接设备及焊接工艺的要求更为严格。从焊接过程中对焊接参数的数次调整来看，21CT钢的焊接参数较难把握，焊接合格率也较低。

综上，新型高纯铁素体不锈钢21CT目前用于制造太阳能热水器的水箱尚不成熟，无论是耐蚀性还是对焊接设备、焊接工艺的要求都较为严格，还有待进一步研究。

[1]太钢译文集. 日本不锈钢的使用状况介绍[M]. 太原: 太原钢铁公司, 1990.

[2]陆世英, 张廷凯, 康喜范, 等. 不锈钢[M]. 北京: 原子能出版社, 1955.

[3]杨德钧, 沈卓身. 金属腐蚀学[M]. 北京: 冶金工业出版社, 1999.

[4]钢铁研究院等编译. 国外耐海水腐蚀不锈钢[M]. 上海: 上海科技文献出版社, 1979.