化工史話3：永垂不「銹」——說說不鏽鋼

來自專欄 YEBOSS的化工知識大雜燴

書接上回，大家都知道碳鋼的腐蝕是非常嚴重的，與很多物料都會起反應，因此必須要想方設法提升碳鋼的耐腐蝕能力才能讓它應用於更廣泛的領域。經過一系列的改進，具有良好耐腐蝕能力的不鏽鋼終於粉墨登場。本文將主要講講不鏽鋼的發明歷程和現代常用的不鏽鋼及其分類，另外補充一下鍍鋅鋼的知識。當然在說這兩個問題前，我想稍微花一點篇幅，說說腐蝕這個概念是如何進行量化的。

我們知道腐蝕有嚴重和輕微之分，在一些場合下，我們明明知道介質對材料存在腐蝕，但是出於經濟性方面的考慮，只要腐蝕被控制在可以接受的範圍內我們還是可以使用這些材料的。有過化工容器設計經驗的人都聽說過所謂腐蝕餘量這個概念，那就是我們在設計容器的時候，有意識地把容器的壁面做厚一點。這樣即使有腐蝕存在，因為腐蝕容器變薄，但是剩餘部分的厚度仍然能夠保證容器的強度。這種情況在化工設計中非常常見，在設計標準中也是允許的，比如說壓力容器標準GB150中就規定，如果介質對容器腐蝕輕微，那麼腐蝕餘量1mm，也就是說在你通過強度計算算出容器厚度後，額外加上這1mm保證設備腐蝕以後也能正常運行。同樣這個標準還規定，在介質對容器腐蝕較強的情況下腐蝕餘量取2mm。

那麼問題就來了，如何判斷介質對容器的腐蝕是強還是弱呢？想當年我還是學生的時候，定腐蝕餘量的時候全憑直覺，腦袋一拍就把腐蝕餘量定下來了。多年過去後，現在的我已經是老司機了，終於知道了腐蝕能力的定量判斷方法——那就是所謂的腐蝕實驗。而有了這些定量的方法才使我們通過實驗數據來定量判斷腐蝕強弱，篩選相關材料成為了可能。

好了，繞了個小彎子，我們回來繼續說說不鏽鋼的誕生，這是一個充滿巧合的故事。

我們把時間回溯到1908年，此時離我大清國滅亡還有4年，距離一戰開打還有3年。後來被稱為不鏽鋼之父的布雷爾利，剛剛接手了一個新課題，那就是如何改善鋼管的強度，使它們能夠更方便可靠地被用於生產槍管。那時候人們對與鋼鐵結構的認識遠沒有今天充分，只能通過不斷的測試，不斷地往鋼鐵里添加元素，然後篩選出合適的產品。布雷爾利做的工作和他的同行們沒有什麼區別，兩年過去了，他們已經實驗了上千個樣品，都無法達到要求，實驗室門口的堆場上堆滿了廢棄的產品。終於，有一天布雷爾利決定把這些廢棄物清理掉，就在這個時候，他的助手驚奇地發現，在一大堆銹的一塌糊塗的鋼鐵中，有一兩塊還是閃閃發光，沒有生鏽的跡象。於是這批人拿出實驗記錄一對照，發現這是一種含鉻的鋼種，於是乎不鏽鋼就這樣被發明出來了。

這個故事似乎有點演繹的成分，布雷爾利被稱為不鏽鋼之父，主要還是由於他在1916年首次申請了不鏽鋼的專利。但是最早有據可查的關於含鉻鋼具有耐腐蝕性的報道實際上出現在1905年。說一說這個故事究竟有沒有這麼戲劇還有待考證。

為什麼含鉻的鋼鐵能夠抵抗腐蝕呢，現在的研究認為，鉻能在不鏽鋼表面生成一層含有鉻氧化物的保護膜，這層膜薄且緻密，可以有效地抵抗腐蝕。不鏽鋼的出現對於鐵基材料來說是一場革命，之前說過碳鋼作為材料在物理性能方面是非常優越的，但是耐腐蝕性不足，不鏽鋼出現以後大大地擴展了鋼材的使用範圍。

現在不鏽鋼已經發展出了成百上千種牌號，根據不鏽鋼內部結構的分類可以將其分為馬氏體不鏽鋼，奧氏體不鏽鋼，鐵素體不鏽鋼，雙相鋼等等。

在這裡給大家列幾種化工生產中常用的不鏽鋼牌號。

304不鏽鋼，最常見的鋼種，一般被用來做各種容器，保溫杯，食品工業中用來做設備，是目前民用比較高檔的鋼種，屬於奧氏體不鏽鋼。巧的是，前一陣子某手機品牌還用這種鋼來提升逼格。實際上304不鏽鋼非常普遍的，我們一般自己做設備都用它，價格不貴，也就18000/噸。

201不鏽鋼，一種便宜的不鏽鋼，主要是因為我們國家卻鎳，而201鋼在不鏽鋼中主要用錳取代鎳，因此價格便宜。民用上主要是用來做一些低端不鏽鋼製品。201鋼的價格只有304不鏽鋼的70%左右。

316L不鏽鋼，304鋼的加強版，由於添加了鉬，耐腐蝕性能較304鋼有明顯提高。

2205不鏽鋼，也叫2205雙相鋼，2205雙相鋼在化工中應用也很廣泛，主要是因為對抗氯離子腐蝕的能力比較好。氯離子可以說是不鏽鋼的噩夢，因為氯離子存在的情況下會對不鏽鋼產生晶間腐蝕，因此在化工廠中輸送含氯的物質，比如說鹽水，有人寧可用碳鋼也不用不鏽鋼，但是2205鋼在這方面的耐腐蝕性能是非常優異的。

310S不鏽鋼，這也是不鏽鋼中的極品，主要用於高溫環境，正常不鏽鋼使用溫度不宜超過600度，否則內部結構可能出現改變，強度難以保證，310S在超過600度的情況下，耐腐蝕能力與強度均能維持在較高水平，因此常用於帶一定腐蝕的高溫環境比如說各種化工用爐，當然310S的價格非常感人，據說做同樣那耐壓能力的設備，成本超過鈦材。

以下的不鏽鋼牌號都是所謂的美標牌號，我們在生產中普遍使用美標牌號，之所以不用國標牌號是因為國標牌號實在是晦澀難懂，記不住。比如說304不鏽鋼，其對應的國標牌號為0Cr18Ni9，這個記性差的人還真記不住。總體來說，美標牌號就好象是名字一樣朗朗上口，而國標牌號就好象是身份證號碼一樣難以記憶。但是國標牌號有個優點，就是你一看牌號就知道不鏽鋼的組成了，就像你的身份證號，至少有你的出生地和生日這些信息。

最後說說鍍鋅鋼，也就是我們所說的白鐵皮。主要是在鋼表面鍍一層鋅，由於鋅金屬活動性差，因此可以有一定耐腐蝕目的。在十幾年前大家用的自來水管就是這種材料，今天在少數一些地方依舊存在。現在已經逐漸被pp管淘汰了，因為鋅本身也是一種重金屬，對人類有害的。而且鋅的耐腐蝕性實際上相當一般。

好了，終於把不鏽鋼說完了，連續歪了三期樓了，下一期我們終於能夠開始講一講現代化工的開端——鉛室法制硫酸。