奧氏體不銹鋼晶間腐蝕問題的研究及防護

一前言

          不銹鋼按組織可分為鐵素體不銹鋼： 如Crl7、 Cr17Ti、Cr28等， 馬氏體不銹鋼： 如2Cr13、3Crl3、 4Cr13等， 奧氏體不銹鋼： 如0Crl8Ni9Ti、1Crl8Ni9Ti、 Crl8Nil2Mo2Ti三種。由于奧氏體不銹鋼含有較高的鉻和 鎳．可形成致密的氧化膜且熱強性高，故奧氏體不銹鋼比 其它不銹鋼具有更優(yōu)良的耐蝕性、塑性、高溫性能和焊接 性， 因此奧氏體不銹鋼在航空、化工和原子能等工業(yè)中得 到日益廣泛的應(yīng)用。但在生產(chǎn)過程是如果焊條選用或焊接 工藝不正確時，會產(chǎn)生晶間腐蝕及焊接熱裂紋。

 二 晶間腐蝕的概念

          晶間腐蝕是產(chǎn)生在晶粒之間的一種腐蝕形式(見 1)。產(chǎn)生晶間腐蝕的不銹鋼，受到應(yīng)力作用時，晶間腐蝕 由表面開始而逐漸向內(nèi)部發(fā)展。這種腐蝕對于承受重載零 件危害很大，因為它不引起零件外形的任何變化而使品粒 之間結(jié)合遭到破壞，嚴(yán)重降低其機械性能，強度幾乎完令 損失，往往使機械設(shè)備發(fā)生突然破壞，是不銹鋼最危險的 一種破壞形式。晶間腐蝕可以分別產(chǎn)生在熱影響區(qū)、焊縫 或熔合線上。在熔合線上產(chǎn)生的晶間腐蝕又叫刃狀腐蝕。

三晶間腐蝕產(chǎn)生的原因

         現(xiàn)以18—8型奧氏體鋼(例如1CrI8NI9)來說明晶問 腐蝕產(chǎn)生的過程。室溫下碳元素在奧氏體的溶解度很小， 約0．02-0．03％ (質(zhì)量分?jǐn)?shù))，而一般奧氏體鋼中含碳量均超 過0．02-0．03％ ，因此只能在淬火狀態(tài)下使碳固溶在奧氏體 中，以保證鋼材具有較高的化學(xué)穩(wěn)定性。但是這種淬火狀 態(tài)的奧氏體鋼當(dāng)加熱到450～850~(2或在該溫度下長期使用 時，碳在奧氏體中的擴散速度大于鉻在奧氏體中的擴散速 圖1晶間腐蝕 度。當(dāng)奧氏體中含碳量超過它在窀 溫的溶解度(0．02-0．03％)后。碳就 不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并 和鉻化合， 析出碳化鉻Gr23C6。但 收稿日期：2o03一o6一o4 是鉻的原子半徑較大，擴散速度較小，來不及向邊界擴散， 品界附近大量的鉻和碳化合形成碳化鉻，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 來自品界附近。結(jié)果就使晶界附近的鉻含量大為減少， 當(dāng) 品界含鉻量小于l2％ (質(zhì)量分式)時，就形成“貧鉻區(qū)”。 造成奧氏體邊界貧鉻， 當(dāng)晶界附近的金屬含量鉻量低于 l2％時就失去了抗腐蝕的能力，在腐蝕介質(zhì)作用下，就在晶 粒之間產(chǎn)生腐蝕即產(chǎn)生晶問腐蝕。從上可知，晶間腐蝕產(chǎn) 卡的根本原因是由于晶粒邊界形成貧鉻層造成的。

四不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的影響因素

(1) 加熱溫度和加熱時間的影響 加熱溫度和加熱時間對18—8型不銹鋼晶間腐蝕的影 響， 當(dāng)加熱溫度小于450~C或大于850％n~，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， 由于溫度擴散能力增強， 有足夠的鉻擴散至晶界和碳結(jié)合，不會在晶界形成“貧鉻 區(qū)”：所以產(chǎn)生晶間腐蝕的溫度是在4500(3-850~(2之間，這 個溫度區(qū)問就成為產(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為最危險。焊接時，焊縫兩側(cè) 處于“危險溫度區(qū)”的地帶最容易發(fā)生晶間腐。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。如圖2所示。

(2) 冷卻 速度的影響 不銹鋼焊 接接頭在“危險 溫度區(qū)”停留在 時問越短，接頭 的耐晶問腐能 力越強。所以不 銹鋼焊接時，快 速冷卻是提高 ～ ～ 時一 I 55o℃ I 一 s5o℃ 圖2加熱溫度和加熱時間對晶間腐蝕的影響 ≥ ； 。 酒圈隧蠡- 研究與 接頭耐腐能力的有效措施。

(3)含碳量的影響 碳是造成晶體間腐蝕的主要元素，碳含量在0．08％以 下時，能夠析出碳的數(shù)量較少， 碳含量在0．08％ 以上時， 能夠析出碳的數(shù)量迅速增加。隨著不銹鋼中含碳量的增 加，在晶界生成的碳化鉻隨之增多，結(jié)果就使得在晶界形 成“貧鉻區(qū)” 的機會增多， 導(dǎo)致產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向增 加，所以碳是抗晶間腐蝕最有害的元素。 奧氏體不銹鋼根據(jù)含碳量的不同，分成三個等級：一 般含碳量(toc<0．14％)、低碳級(toe<0．06％)和超低碳級 (toe<0．03％)，因為室溫時，奧氏體中能溶解最大的碳，其 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0．02％ ．03％ ，所以超低碳奧氏體不銹鋼如果 材料化學(xué)成份合格原則上就不會產(chǎn)生晶間腐蝕， 如 00Crl9Nil1、00Crl8Ni等。焊接這類鋼時， 因該采用超低 碳不銹鋼焊絲，如H00Cr21Ni10。

(4)金相組織的影響 不銹鋼的金相組織如果是單相奧氏組織體，則其抗晶 間腐能力較差。如果組織中同時還有一定數(shù)量的鐵素體存 在，形成奧氏體加鐵素體的雙相組織，會大大提高抗晶間 腐的能力。 雙相組織對抗晶間腐蝕的有利作用如圖3所示。單相 a)單相(奧氏體)組織b)雙相(奧氏體+鐵素體)組織 圖3 雙相組織對抗晶間腐蝕的影響 組織的焊縫由于柱狀晶發(fā)展較快， 晶間夾層厚而連續(xù)，析 出碳化物后，貧鉻區(qū)貫穿于晶粒之間，構(gòu)成侵蝕性介質(zhì)的 腐蝕通道。雙相組織的焊縫， 由于樹枝晶粒打亂了柱狀晶 的生長，晶間夾層分散而不連續(xù)，并且由于鐵素體中鉻的 質(zhì)量分?jǐn)?shù)遠高于奧氏體，碳化鉻等化合物優(yōu)先在鐵素體的 邊緣以內(nèi)析出，因而不致在晶界形成貧鉻區(qū)。即使形成了 貧鉻區(qū)，也容易從臨近的高鉻鐵素體中，及時得到鉻的補 充。因此這種雙相組織會大大提高抗晶間腐的能力。

(5)熱處理工藝的影響 通過熱處理可以消除貧鉻區(qū)，穩(wěn)定金屬組織，可有效 地減少晶間腐蝕的產(chǎn)生。

(6)其它元素的影響 如在不銹鋼中的加入鈦、鈮等與碳的結(jié)合能力比鉻更 強的元素，能夠與碳結(jié)合合成穩(wěn)定的碳化物，可以避免在 奧氏體中形成貧鉻區(qū)。這些元素稱為穩(wěn)定劑，并且鈦和鈮 還是形成鐵素體的元素，加入后會促使形成雙相組織。所 以，通過添加這些元素也可以減少晶間腐蝕的產(chǎn)生。

五晶間腐蝕的防止方法

         綜上所述，我們可以從以下幾個方面著手加以控制和 預(yù)防：

(1)控制含碳量 通常控制基本金屬和焊條的含碳量在0．08％ 以下，如 0Crl8Ni9Ti鋼板，E0—19—10—15、E0—19—10Nb一15焊條等。 另外，若奧氏體鋼中的含碳量小于0．02-0．03％ 時，則全部 碳都溶解在奧氏體中，即使在450-850~(2加熱也不會形成貧 鉻層，故不會產(chǎn)生晶間腐蝕。通常所說的超低碳不銹鋼 (如00Crl8Ni10、00Crl7Ni14M03、E00—19—10—16焊條) 含碳量小于0．03％ ，因此不會產(chǎn)生晶間腐蝕。

(2)添加穩(wěn)定劑 在鋼材和焊接材料中加入鈦、鈮等與碳的親和力比鉻 強的元素，這些元素能夠與碳結(jié)合成穩(wěn)定的碳化物，從而 避免在奧氏體晶界造成貧鉻，對提高抗晶間腐蝕能力起十 分良好的作用。常用的不銹鋼材和焊接材料都含有鈦和 鈮， 如2Crl8NilMo2Ti鋼材、E0—19—10Nb一15焊條、 H0Crl9Ni9Ti焊絲等。

(3)進行固溶處理 將焊接接頭進行固溶處理，方法是在焊后把焊接接頭 加熱到1050-11oo℃ ，此時碳又重新溶人奧氏體中，然后 迅速冷卻，穩(wěn)定了奧氏體組織。另外，也可以進行850～ 900~C保溫2h的穩(wěn)定化熱處理，此時奧氏體晶粒內(nèi)部的鉻 逐步擴散到晶界， 晶界處的含鉻龜又重新恢復(fù)到大于 12％ ，這樣就不會產(chǎn)生晶間腐蝕。

(4)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， 以使焊縫由原來的奧氏體單相組織轉(zhuǎn)化成奧氏體加鐵 素體的雙相組織。但應(yīng)該注意的是：焊縫金屬中鐵素體含 量不宜過多，否則也會使焊縫變脆。實踐證明焊縫金屬中 鐵素體含量在5-10％ 時， 可有效地減少晶間腐蝕的產(chǎn)生。

(5)加快冷卻速度 因為奧氏體鋼含碳量低，不會產(chǎn)生淬硬現(xiàn)象，所以在 焊接過程中，可以設(shè)法增加焊接接頭的冷卻速度，如焊件 下用銅墊板，或直接澆水冷卻。在焊接工藝上，可以采用 小電流、大焊速、短弧、多道焊等措施， 目的是縮短焊接 接頭在危險溫度區(qū)(450～850~C)停留的時間，使其不致形 成貧鉻區(qū)，從而有效的防止了晶間腐蝕的產(chǎn)生。此外，還 必須注意焊接次序， 即與腐蝕介質(zhì)接觸的焊縫應(yīng)最后焊 接，盡量不使它受重復(fù)的焊接熱循環(huán)作用。

參考資料：

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[4] 徐初雄．焊接技術(shù)問答[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2000．

[5] 周振豐，張文鉞．焊接冶金與金屬焊接性[M]．北京：機械 工業(yè)出版社．1987． 作者簡介：鄭海生，男，1973年生，河南延津人，助理講師。研 究領(lǐng)域：金屬工藝學(xué)。 (編輯：滕召旗)