奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕及其試驗方法

一、晶間腐蝕

晶間腐蝕：局部腐蝕的一種，沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴展的腐蝕。

不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于12%，當(dāng)溫度升高，特別是在450℃～800℃時，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴散速度大于鉻的擴散速度，室溫時，碳在奧氏體中的熔解度很小，約為0.02%～0.03%，一般奧氏體不銹鋼中的碳含量均超過此值，故溶解不了多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳和鉻的化合物，如Cr₂₃C₆等（見圖1）。而鉻的擴散速度較小，來不及向晶界擴散，所以在晶間所形成的碳化鉻所需的鉻主要不是來自奧氏體晶粒內(nèi)部，而是來自晶界附近，結(jié)果就使晶界附近的含鉻量大為減少，當(dāng)晶界附近的鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低到小于12%時，就形成相對的“貧鉻區(qū)”，“貧鉻區(qū)”電位下降，而晶粒本身仍維持高電位，晶粒與“貧鉻區(qū)”之間存在著一定的電位差，而在腐蝕介質(zhì)中晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的，晶界的溶解速度遠(yuǎn)大于晶粒本身的溶解速度，“貧鉻區(qū)”作為陽極與晶粒構(gòu)成大陰極小陽極的微電偶電池，造成“貧鉻區(qū)”的選擇性局部腐蝕，也就是晶間腐蝕。

圖1 晶界析出及腐蝕電極示意圖

晶間腐蝕發(fā)生后，金屬雖然表面仍保持一定的金屬光澤，也看不出被破壞的跡象，但晶粒間的結(jié)合力已顯著減弱，強度下降，冷彎后表面出現(xiàn)裂縫，零件容易遭到破壞。晶間腐蝕隱蔽性強，突發(fā)性破壞幾率大，因此有嚴(yán)重的危害性，尤其在焊接時，焊縫附近的熱影響區(qū)更容易發(fā)生晶間腐蝕。

以晶間腐蝕為起源，在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，可使不銹鋼由晶間腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)閼?yīng)力腐蝕開裂。

二、合金元素的作用

0Cr18Ni9與1Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni10N、00Cr19Ni10的化學(xué)成分比較見表1（參考標(biāo)準(zhǔn)GB 4239-1991 不銹鋼和耐熱鋼冷軋鋼帶）。

表1 常見奧氏體不銹鋼化學(xué)成分

鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的最基本元素，使其有耐腐蝕性能。在氧化性介質(zhì)中，鉻能使鋼的表面很快形成一層實際為腐蝕介質(zhì)不能透過和不溶解的富鉻的氧化膜，這層氧化膜很致密，并與金屬基本結(jié)合得很牢固，保護(hù)鋼免受外界介質(zhì)進(jìn)一步氧化浸蝕（鈍化的機理）；鉻還能有效地提高鋼的電極電位，當(dāng)含鉻量不低于12%原子時，可使鋼的電極電位發(fā)生突變，由負(fù)電位升到正的電極電位，可顯著提高鋼的耐蝕性。

鎳與鉻配合可以提高鋼對非氧化性介質(zhì)（如：稀硫酸、鹽酸、磷酸等）的耐蝕性，并能改善鋼的焊接和冷彎等工藝性能。

氮在不銹鋼中有和鎳相似的作用。

碳一方面可以淬火強化，從而在機械性能方面可大大提高它的強度；另一方面由于碳和鉻的親和力很大，隨著鋼中含碳量的增加，則與碳形成碳化物的鉻越多，從而顯著降低鋼的耐蝕性，特別是熱到450℃~800℃時容易晶間腐蝕。

鈦和鈮可防止不銹鋼的晶間腐蝕，鋼中加入鈦或鈮，就能使鋼中的碳首先與鈦或鈮形成碳化物，而不與鉻形成碳化物，從而保證晶界附近不致因貧鉻而產(chǎn)生晶間腐蝕，提高不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，并改善鋼的焊接性能，鈦或鈮的加入量要根據(jù)含碳量而定，一般為鈦的加入量為含碳量的5倍，鈮為碳的8倍。

三、解決措施

經(jīng)以上分析可知，幾乎所有奧氏體不銹鋼（非超低碳不銹鋼）都有晶間腐蝕傾向，若要避免不銹鋼晶間腐蝕可以從以下幾個方面著手：

1) 加入與碳親和力比鉻還要強的元素鈦和鈮，鈦和鈮常用來固定鋼中的碳，提高不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，但是由于鈦和鈮都是稀有金屬，實際不銹鋼中鈦和鈮的含量都不高，如0Cr19Ni10NbN、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni10Ti、0Cr18Ni11Nb等即使均含有鈦和鈮，但從實際工藝應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，依然有晶間腐蝕，特別是國產(chǎn)材料晶間腐蝕較嚴(yán)重，這也是GB 4239-1991、GB 1220-1992等國家標(biāo)準(zhǔn)中特別注明不推薦使用1Cr18Ni9Ti的原因，而在最新的GB/T 3280-2007、GB/T 4237-2007、GB/T 1220-2007等國家標(biāo)準(zhǔn)中均取消了1Cr18Ni9Ti這一奧氏體不銹鋼牌號；

2) 降低碳的含量，選用超低碳的不銹鋼，如00Cr18Ni10N、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Ni13Mo2N等，從根本上減弱形成碳鉻化合物的機會，從而消除晶間腐蝕。

3) 控制加熱溫度和加熱時間加熱溫度和加熱時間對奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的影響，如圖2所示。當(dāng)加熱溫度小于450℃或大于850 oC時，不會產(chǎn)生晶間腐蝕。因為溫度小于450℃時，由于溫度較低，不會形成碳化鉻。當(dāng)溫度超過850℃時，晶粒內(nèi)的鉻擴散能力增強，有足夠的鉻擴散至晶界和碳化合，不會在晶界形成“貧鉻區(qū)”。所以產(chǎn)生晶問腐蝕的加熱溫度是在450～850 oC，這個溫度區(qū)間就稱為產(chǎn)生晶間腐蝕的“危險溫度區(qū)”(又稱“敏化溫度區(qū)”)，其中尤以650 oC最危險。焊接時焊縫兩側(cè)處于“危險溫度區(qū)”的地帶最易發(fā)生晶問腐蝕。即使是焊縫由于在冷卻過程中其溫度也要穿過“危險溫度區(qū)”，所以也會產(chǎn)生晶間腐蝕。

圖2

4) 進(jìn)行固溶處理，焊后，將奧氏體不銹鋼的焊接接頭重新加熱至1050～1100℃，此時碳又重新溶人奧氏體中，然后急速冷卻，便可得到穩(wěn)定的奧氏體組織，消除貧鉻區(qū)。這種方法叫固溶處理。固溶處理的缺點是，如果焊接接頭需要在危險的溫度區(qū)工作，則仍不可避免地會形成貧鉻區(qū)。

5) 進(jìn)行均勻化處理，焊后，將奧氏體不銹鋼的焊接接頭重新加熱至850～900 oC，保溫2 h，使奧氏體晶粒內(nèi)部的鉻有充分時間擴散到晶界，使晶界處的含鉻量又恢復(fù)到大于12％(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，貧鉻區(qū)得以消失，這叫均勻化處理。

6) 采用雙相組織，在焊縫中加入鐵素體形成元素，如鉻、硅、鋁、鉬等，以使焊縫形成奧氏體加鐵素體的雙相組織，會大大提高抗晶間腐蝕的能力。其次鋼中的合金元素是形成雙相組織的主要因素。

四、不銹鋼的晶間腐蝕試驗方法(以下重點介紹：不銹鋼10%草酸浸蝕試驗方法)

表2我國不銹鋼晶間腐蝕標(biāo)準(zhǔn)試驗方法

1.不銹鋼晶間腐蝕草酸電解法

本方法適用于檢驗奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的篩選試驗。試樣在10%草酸溶液中電解浸蝕后，在顯微鏡下觀察被浸蝕表面的金相組織以判定是否需要進(jìn)行硫酸-硫酸鐵、65%硝酸、硝酸-氫氟酸以及硫酸-硫酸銅等長時間熱酸試驗。

2.儀器

2.1 直流電源 供給能力約15V和20A的電池、發(fā)電機或整流器。

2.2 電流表0~30A范圍

2.3 可變電阻器

2.4 陰極 不銹鋼圓柱筒件，或最好用1qt(夸脫)（0.946L）的不銹鋼燒杯。

2.5 大夾子 用于夾持被侵蝕的試件。

2.6 冶金顯微鏡 在250~500倍數(shù)檢查侵蝕顯微結(jié)構(gòu)。

2.7 侵蝕電解槽電極 被侵蝕試件構(gòu)成陽極，不銹鋼燒杯或與被侵蝕試件那樣大的不銹鋼筒構(gòu)成陰極。

2.8 電解液 乙二酸，試劑級，10%溶液，使用的電解浸蝕裝置見圖3.

1-不銹鋼杯或不銹鋼片；2-試樣；3-直流電源；4-變阻器；5-電流表；6-開關(guān)

圖3

試驗時試樣為陽極。浸蝕電流密度為1A/cm²。浸蝕時間為90秒。浸蝕溶液溫度為20⁰～50⁰C。

浸蝕組織分七類，篩選試驗與其他試驗方法的關(guān)系見圖4~10.

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容大檢測可根據(jù)用戶需求，按照國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)部門標(biāo)準(zhǔn)，可提供材料在自然環(huán)境下的腐蝕失效分析、腐蝕室內(nèi)外相關(guān)性、材料和產(chǎn)品壽命評估、材料和產(chǎn)品環(huán)境適應(yīng)性、材料選材和設(shè)計等多方面的科技支撐服務(wù)。

具體測試項目：

鎳基合金晶間腐蝕試驗金屬腐蝕速率檢測鋁合金晶間腐蝕試驗不銹鋼晶間腐蝕試驗晶間腐蝕