黑家群 朱 嘉 莊偉瑋 馮 皓

（威凱檢測技術(shù)有限公司 廣州 510663）

前言

金屬管狀電熱元件（俗稱電加熱管），以金屬管為外殼，合金電熱絲作為發(fā)熱體，在一端或兩端具有引出棒，在金屬管內(nèi)填裝有絕緣材料以固定發(fā)熱體的電熱元件。金屬管狀電熱元件是電熱水器等家用電器的核心部件。電加熱管長期處于反復(fù)加熱的工作環(huán)境，若加熱介質(zhì)中一旦存在Cl-等腐蝕性介質(zhì)，很容易導(dǎo)致加熱管腐蝕穿孔，甚至漏電，漏水等問題，輕則影響電器的使用壽命，增加廠家售后成本，重則危及使用者人身安全[1～2]。

目前家用電器中的電加熱管的外殼絕大多數(shù)是采用奧氏體不銹鋼制成。本文概述了不銹鋼制管狀電熱元件在使用環(huán)境條件下的腐蝕形態(tài)和機(jī)理，簡要總結(jié)了金屬管狀電熱元件腐蝕的主要影響因素。

1 金屬管狀電熱元件的結(jié)構(gòu)和類型及應(yīng)用

金屬管狀電熱元件簡稱電加熱管，是一種應(yīng)用廣泛、結(jié)構(gòu)簡單、性能可靠、使用壽命長的密封式電熱元件。

常見的外形結(jié)構(gòu)有：法蘭型、螺紋型、單頭液體加熱型、U型、W型（M型）、O型（環(huán)形）等。

圖1 常見常見形式的電加熱管

常見形式的電加熱管如下圖1。

在工業(yè)領(lǐng)域，電加熱管可應(yīng)用于干燥木材、紙張、染料、油漆等電加熱設(shè)備；熔鉛爐、熔錫爐等融化低熔點合金；生活，工程等領(lǐng)域的取暖設(shè)備內(nèi)；加熱流動空氣和靜止空氣；紅外線輻射加熱裝置；加熱油、水及其它化學(xué)液體中的加熱裝置；海水電蒸餾設(shè)備；烘烤各種面包、餅干、糕點的食品加熱設(shè)備；橡膠制品的注塑機(jī)內(nèi)；醫(yī)療衛(wèi)生消毒設(shè)備中，如滅菌器、消毒器等；各種日常家用電熱器中，如電烤箱、電飯鍋、電炒鍋、電煎鍋、熱水器、電熨斗、電水壺、暖風(fēng)機(jī)、空調(diào)等日用電器產(chǎn)品。

2 金屬管狀電熱元件的主要腐蝕形態(tài)

金屬管狀電熱元件的外殼絕大多數(shù)為奧氏體不銹鋼。因為局部腐蝕具有較強(qiáng)隨機(jī)性，不易發(fā)現(xiàn)，難以預(yù)測，因此容易造成嚴(yán)重后果。不銹鋼最為常見的局部腐蝕主要是點腐蝕、晶間腐蝕、焊縫腐蝕、選擇性腐蝕和應(yīng)力腐蝕。[3]電加熱管的外殼最常見的腐蝕形態(tài)是點腐蝕、晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

1）點腐蝕：簡稱孔蝕，是一種腐蝕集中于金屬表面的很小范圍內(nèi)，并深入到金屬內(nèi)部的蝕孔狀腐蝕形態(tài)，一般是直徑小而深度深。點蝕是破壞性和隱患較大的腐蝕形態(tài)之一[4]。

2）晶間腐蝕：晶間腐蝕是在腐蝕介質(zhì)作用下，金屬腐蝕沿著晶界向內(nèi)部發(fā)展，晶粒間失去結(jié)合力，金屬強(qiáng)度喪失，導(dǎo)致構(gòu)件過早破壞。由于晶界原子排列較為混亂，缺陷多，發(fā)生了晶界吸附或析出物，晶界和晶粒內(nèi)的化學(xué)成分產(chǎn)生了差異，在酸性介質(zhì)中形成腐蝕原電池，晶界產(chǎn)生選擇性溶解。

3）應(yīng)力腐蝕：不銹鋼材料受拉伸應(yīng)力（可遠(yuǎn)低于材料的屈服極限）作用在酸性介質(zhì)中出現(xiàn)的脆性開裂現(xiàn)象。由于這種脆性開裂沒有明顯的征兆，因此造成的災(zāi)害性的后果。

3 金屬管狀電熱元件的主要腐蝕機(jī)理

3.1 點腐蝕的形成機(jī)理

不銹鋼因為在空氣中表面會形成一層Cr2O3的鈍化膜，因此容易在Cl-等敏感性介質(zhì)存在時發(fā)生點蝕。點蝕的成因通常有鈍化膜破壞理論和吸附理論2種。

1）鈍化膜破壞理論

關(guān)于不銹鋼表面鈍化膜的破壞引發(fā)點蝕的機(jī)制，目前普遍認(rèn)為是吸附機(jī)制[5]。

當(dāng)腐蝕陰離子在不銹鋼鈍化膜上吸附后，陰離子的半徑小輕易穿過鈍化膜后進(jìn)入膜內(nèi)，污染氧化膜，促進(jìn)了金屬的溶解，發(fā)生了強(qiáng)烈的感應(yīng)離子導(dǎo)電，使膜上的陽離子雜亂移動而活躍起來，當(dāng)膜與界面的電場超過臨界值時，產(chǎn)生點蝕。

2）吸附理論

氯離子和氧的競爭吸附結(jié)果產(chǎn)生點蝕。當(dāng)氯離子取代了金屬表面上氧的吸附點時，將在表面產(chǎn)生陽離子空位，空位穿過氧化膜擴(kuò)散到金屬基體-氧化層界面后，金屬基體產(chǎn)生的陽離子將其填充。當(dāng)空位的離子流大于金屬陽離子的離子流時，空位會在界面處聚集形成孔洞而發(fā)生點蝕。

3.2 晶間腐蝕的機(jī)理[6]

需要在內(nèi)因和外因的共同作用下才產(chǎn)生晶界腐蝕。奧氏體不銹鋼晶界腐蝕的原因如下：晶界碳化物的析出和晶界吸附引起晶界腐蝕：由于奧氏體不銹鋼中的碳隨著溫度的變化，固溶度也會產(chǎn)生變化，過飽和的碳就從奧氏體中析出，形成鉻的碳化物（Cr2C6為主）并連續(xù)分布在晶界上，析出的碳化物中鉻含量遠(yuǎn)高于奧氏體中的鉻含量，在析出過程中，碳由于分子量小，擴(kuò)散阻力小，可以快速達(dá)到晶界，而鉻的擴(kuò)散阻力大，在形成碳化物時，晶界附近的鉻被消耗，晶界附近形成了貧鉻區(qū)，鈍化膜被破壞發(fā)生晶界腐蝕。

3.3 應(yīng)力腐蝕的機(jī)理[7-8]

奧氏體不銹鋼的的應(yīng)力腐蝕機(jī)理主要為不銹鋼氯脆機(jī)理。奧氏體不銹鋼的鈍化膜為三價鉻的氧化物和少量鎳的氧化物，在熱的氯化物中容易在應(yīng)力和應(yīng)變的作用下產(chǎn)生破壞，出現(xiàn)了層狀位錯結(jié)構(gòu)，在基體和膜的界面聚集產(chǎn)生變形，導(dǎo)致位錯塞頂端有很大的應(yīng)力集中，表面膜破裂，產(chǎn)生了瞬時溶解。

電加熱管是用不銹鋼管冷加工成型制成，在彎折部位拉應(yīng)力的存在難以避免，因此，應(yīng)力腐蝕是電加熱管一種不容忽視的腐蝕形式。針對有晶界腐蝕敏感性的奧氏體不銹鋼，應(yīng)力腐蝕多起源于表面的點蝕，由于應(yīng)力的作用，沿晶界向金屬內(nèi)部發(fā)展，最終形成不易察覺的貫穿管壁裂紋，從而導(dǎo)致整個元件的失效。

4 金屬管狀電熱元件腐蝕的主要影響因素

4.1 點腐蝕性能的影響因素

點腐蝕產(chǎn)生的條件有以下三個方面[9]：

1）多發(fā)生于表面生成鈍化膜的金屬材料上。當(dāng)這些膜上某點發(fā)生破壞，破壞區(qū)下的金屬基體與膜未破壞區(qū)就會形成活化一鈍化腐蝕電池，鈍化表面為陰極而且面積比活化區(qū)大很多，腐蝕會向深處發(fā)展而形成小孔；

2）有特殊離子的介質(zhì)中，如鹵素離子，最有代表性的為Cl-。

3）在某一臨界電位以上，即點蝕擊破電位。離子。這樣的陰離子在合金表面不均勻吸附，導(dǎo)致膜的不均勻破壞。

所以影響這三個條件的因素，都是影響不銹鋼點蝕性能的因素，主要分為內(nèi)因和外因兩大類。內(nèi)因包括合金元素、夾雜物、表面狀態(tài)；環(huán)境因素包括，溫度、電解質(zhì)（氯離子濃度、pH值、緩釋離子濃度）等。目前對于不銹鋼的點耐腐蝕性能的因素研究主要集中在一下幾個方面：合金元素、夾雜物、鈍化膜、表面粗糙度、溫度、電解質(zhì)的PH 值、氯離子的點腐蝕等方面[10]。

4.2 影響晶間腐蝕的因素

1）晶粒本身的物理化學(xué)狀態(tài)和晶界物質(zhì)不同；

2）在特定的環(huán)境條件，如過熱水蒸氣、高溫水、電解質(zhì)溶液等。

4.3 影響應(yīng)力腐蝕的因素[8]

1）環(huán)境因素：氯化物的種類、氯化物的種類和溫度、溶液的pH值、溶液中溶解氧的含量等；

2）力學(xué)因素：力學(xué)因素、表面粗糙度、加工后殘余變成的程度等；

3）冶金因素：不銹鋼合金元素的含量、晶體的構(gòu)造、晶粒度的大小等。

5 結(jié)論

電加熱管在長期處循環(huán)高低溫環(huán)境下容易腐蝕失效，從而影響電器的使用安全，掌握電加熱管腐蝕的機(jī)理和影響因素，降低加熱管腐蝕，通過合理選材、科學(xué)設(shè)計、專業(yè)評定等方式可以系統(tǒng)解決電加熱管的腐蝕失效問題，保證電器產(chǎn)品的使用安全，維護(hù)消費者的利益。