Fe–N–C表面处理增强低镍铬不锈钢自钝化能力及其耐腐蚀性能研究

《Applied Surface Science Advances》：Fe–N–C surface treatment as method for enhancing spontaneous passivation of low Ni and Cr stainless steel

本研究针对低Cr/Ni不锈钢（如AISI 409 L）在酸性环境中难以自发钝化的问题，通过在其表面涂覆非贵金属Fe–N–C氧还原反应（ORR）催化剂，成功实现了在0.5 M H2SO4溶液中的长期稳定钝化。电化学测试和ICP-MS分析表明，涂层样品的腐蚀电流密度和腐蚀速率分别降低了约99.94%和99.98%，显著提升了材料的耐腐蚀性能。该研究为低成本不锈钢的表面改性提供了新策略，对酸储罐、管道等工业应用具有重要经济价值。

　　

在工业领域，不锈钢因其优异的耐腐蚀性而被广泛用作关键结构材料，全球年消耗量巨大。然而，传统高性能不锈钢（如AISI 304、316）含有大量昂贵的合金元素（如Cr、Ni、Mo），导致成本较高。为降低成本，工业界常采用低合金化不锈钢（如AISI 409 L），但其Cr、Ni含量较低，在酸性环境中难以形成稳定的钝化膜，易发生腐蚀，限制了其在酸储罐、管道等苛刻环境中的应用。因此，开发一种经济有效的表面处理技术，提升低合金不锈钢的耐腐蚀性，成为当前研究的重要方向。

针对上述问题，研究人员在《Applied Surface Science Advances》上发表论文，提出了一种基于非贵金属催化剂的表面功能化策略。该研究以AISI 409 L不锈钢为基底，通过涂覆Fe–N–C氧还原反应（ORR）催化剂，成功诱导了在0.5 M H₂SO₄溶液中的自发钝化，并系统评价了其耐腐蚀性能与机理。

为开展研究，作者主要采用了以下关键技术方法：以AISI 409 L不锈钢为基底，通过X射线衍射（XRD）和电感耦合等离子体质谱（ICP-MS）表征其微观结构和成分；采用滴涂法将Fe–N–C催化剂与Nafion粘结剂制备成涂层溶液并涂覆于钢表面；利用电化学工作站进行开路电位（OCP）、极化曲线、电化学阻抗谱（EIS）和Mott-Schottky测试；通过ICP-MS分析溶液中金属离子溶解量；采用扫描电子显微镜（SEM）和X射线光电子能谱（XPS）观察表面形貌和钝化膜成分。

3.1. 样品表征

未涂覆的AISI 409 L主要由铁素体相组成，Cr含量为10.5 wt.%，Ni含量极低（0.061 wt.%），其晶体结构为典型的铁素体衍射峰。涂层前基体呈现完全再结晶的等轴晶结构，平均核平均误取向（KAM）值为0.48，表明冷轧后的残余应力已充分消除。

3.2. 极化曲线和浸泡测试

未涂覆的409 L在0.5 M H₂SO₄中处于活化状态，腐蚀电位为-520 mV（vs. SCE），腐蚀电流密度高达2.55 mA/cm²。其钝化区范围较窄，Flade电位为-305 mV。而涂覆Fe–N–C后（C_409L），腐蚀电位正移至453 mV，处于钝化区，腐蚀电流密度降至1.65 μA/cm²，降幅约99.94%。通过24小时浸泡测试，C_409L的电位始终稳定在钝化区，且ICP-MS显示其总金属溶解量比未涂覆样品减少99.98%。选择性溶解因子（η_M）分析表明，钝化膜主要由Cr和Fe的氧化物构成。

3.3. 电化学阻抗谱分析

EIS结果表明，未涂覆样品在浸泡过程中电荷转移电阻（R_ct）持续下降，表明其始终处于活化状态。而C_409L的总电阻在24小时内保持高位，且其钝化膜电容计算出的等效厚度先减后增，说明钝化膜经历了结构重组与稳定化过程。Mott-Schottky分析进一步显示，随着浸泡时间延长，钝化膜中的缺陷密度逐渐增加，但仍能维持良好的保护性。

3.4. 表面分析

XPS分析表明，C_409L的钝化膜以Cr₂O₃、Fe₂O₃和TiO₂为主，具有较高的化学稳定性。XRD和SEM结果显示，未涂覆样品表面形成厚而不均匀的腐蚀产物层，而C_409L则形成致密、连续的钝化膜，且Fe–N–C催化剂颗粒通过Nafion粘结剂牢固附着于表面。7天长时浸泡测试中，C_409L的电位仅以约9.1 mV/天的速率缓慢下降，表明其钝化膜具有长期稳定性。

结论与讨论

本研究通过Fe–N–C表面处理成功实现了低Cr/Ni不锈钢在酸性环境中的自发钝化，显著提升了其耐腐蚀性能。电化学和表面分析结果表明，该涂层能促进氧还原反应，使材料电位正移至钝化区，并形成以Cr、Fe氧化物为主的致密钝化膜。尽管钝化膜中的缺陷密度随浸泡时间略有增加，但其保护性能仍远优于未处理样品。该策略避免了使用贵金属催化剂，为低成本不锈钢在苛刻环境中的应用提供了可行方案，对降低工业设备维护成本、提升材料可持续性具有重要意义。