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不锈钢晶间腐蚀问题的研究及防护

Release date:2016-07-28    Pageviews:1042

奥氏体不锈钢晶间腐蚀问题的研究及防护

 

一前言

          不锈钢按组织可分为铁素体不锈钢: 如Crl7、 Cr17Ti、Cr28等, 马氏体不锈钢: 如2Cr13、3Crl3、 4Cr13等, 奥氏体不锈钢: 如0Crl8Ni9Ti、1Crl8Ni9Ti、 Crl8Nil2Mo2Ti三种。由于奥氏体不锈钢含有较高的铬和 镍.可形成致密的氧化膜且热强性高,故奥氏体不锈钢比 其它不锈钢具有更优良的耐蚀性、塑性、高温性能和焊接 性, 因此奥氏体不锈钢在航空、化工和原子能等工业中得 到日益广泛的应用。但在生产过程是如果焊条选用或焊接 工艺不正确时,会产生晶间腐蚀及焊接热裂纹。

 二 晶间腐蚀的概念

          晶间腐蚀是产生在晶粒之间的一种腐蚀形式(见 1)。产生晶间腐蚀的不锈钢,受到应力作用时,晶间腐蚀 由表面开始而逐渐向内部发展。这种腐蚀对于承受重载零 件危害很大,因为它不引起零件外形的任何变化而使品粒 之间结合遭到破坏,严重降低其机械性能,强度几乎完令 损失,往往使机械设备发生突然破坏,是不锈钢最危险的 一种破坏形式。晶间腐蚀可以分别产生在热影响区、焊缝 或熔合线上。在熔合线上产生的晶间腐蚀又叫刃状腐蚀。

三晶间腐蚀产生的原因

         现以18—8型奥氏体钢(例如1CrI8NI9)来说明晶问 腐蚀产生的过程。室温下碳元素在奥氏体的溶解度很小, 约0.02-0.03% (质量分数),而一般奥氏体钢中含碳量均超 过0.02-0.03% ,因此只能在淬火状态下使碳固溶在奥氏体 中,以保证钢材具有较高的化学稳定性。但是这种淬火状 态的奥氏体钢当加热到450~850~(2或在该温度下长期使用 时,碳在奥氏体中的扩散速度大于铬在奥氏体中的扩散速 图1晶间腐蚀 度。当奥氏体中含碳量超过它在窀 温的溶解度(0.02-0.03%)后。碳就 不断地向奥氏体晶粒边界扩散,并 和铬化合, 析出碳化铬Gr23C6。但 收稿日期:2o03一o6一o4 是铬的原子半径较大,扩散速度较小,来不及向边界扩散, 品界附近大量的铬和碳化合形成碳化铬,所以在晶间所形 成的碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部, 而是 来自品界附近。结果就使晶界附近的铬含量大为减少, 当 品界含铬量小于l2% (质量分式)时,就形成“贫铬区”。 造成奥氏体边界贫铬, 当晶界附近的金属含量铬量低于 l2%时就失去了抗腐蚀的能力,在腐蚀介质作用下,就在晶 粒之间产生腐蚀即产生晶问腐蚀。从上可知,晶间腐蚀产 卡的根本原因是由于晶粒边界形成贫铬层造成的。

四不锈钢产生晶间腐蚀的影响因素

(1) 加热温度和加热时间的影响 加热温度和加热时间对18—8型不锈钢晶间腐蚀的影 响, 当加热温度小于450~C或大于850%n~,不会产生晶间 腐蚀。因为温度小于450% 时, 由于温度较低, 不会形成 碳化铬。当温度超过850℃ 时, 由于温度扩散能力增强, 有足够的铬扩散至晶界和碳结合,不会在晶界形成“贫铬 区”:所以产生晶间腐蚀的温度是在4500(3-850~(2之间,这 个温度区问就成为产生晶间腐蚀的“危险温度区” (又称 “敏化温度区”).其中尤以650为最危险。焊接时,焊缝两侧 处于“危险温度区”的地带最容易发生晶间腐。即使是焊缝 由于在冷却过程中其温度也要穿过“危险温度区”,所以也 会产生晶间腐蚀。如图2所示。

(2) 冷却 速度的影响 不锈钢焊 接接头在“危险 温度区”停留在 时问越短,接头 的耐晶问腐能 力越强。所以不 锈钢焊接时,快 速冷却是提高 ~ ~ 时一 I 55o℃ I 一 s5o℃ 图2加热温度和加热时间对晶间腐蚀的影响 ≥ ; 。 酒圈隧蠡- 研究与 接头耐腐能力的有效措施。

(3)含碳量的影响 碳是造成晶体间腐蚀的主要元素,碳含量在0.08%以 下时,能够析出碳的数量较少, 碳含量在0.08% 以上时, 能够析出碳的数量迅速增加。随着不锈钢中含碳量的增 加,在晶界生成的碳化铬随之增多,结果就使得在晶界形 成“贫铬区” 的机会增多, 导致产生晶间腐蚀的倾向增 加,所以碳是抗晶间腐蚀最有害的元素。 奥氏体不锈钢根据含碳量的不同,分成三个等级:一 般含碳量(toc<0.14%)、低碳级(toe<0.06%)和超低碳级 (toe<0.03%),因为室温时,奥氏体中能溶解最大的碳,其 质量分数为0.02% .03% ,所以超低碳奥氏体不锈钢如果 材料化学成份合格原则上就不会产生晶间腐蚀, 如 00Crl9Nil1、00Crl8Ni等。焊接这类钢时, 因该采用超低 碳不锈钢焊丝,如H00Cr21Ni10。

(4)金相组织的影响 不锈钢的金相组织如果是单相奥氏组织体,则其抗晶 间腐能力较差。如果组织中同时还有一定数量的铁素体存 在,形成奥氏体加铁素体的双相组织,会大大提高抗晶间 腐的能力。 双相组织对抗晶间腐蚀的有利作用如图3所示。单相 a)单相(奥氏体)组织b)双相(奥氏体+铁素体)组织 图3 双相组织对抗晶间腐蚀的影响 组织的焊缝由于柱状晶发展较快, 晶间夹层厚而连续,析 出碳化物后,贫铬区贯穿于晶粒之间,构成侵蚀性介质的 腐蚀通道。双相组织的焊缝, 由于树枝晶粒打乱了柱状晶 的生长,晶间夹层分散而不连续,并且由于铁素体中铬的 质量分数远高于奥氏体,碳化铬等化合物优先在铁素体的 边缘以内析出,因而不致在晶界形成贫铬区。即使形成了 贫铬区,也容易从临近的高铬铁素体中,及时得到铬的补 充。因此这种双相组织会大大提高抗晶间腐的能力。

(5)热处理工艺的影响 通过热处理可以消除贫铬区,稳定金属组织,可有效 地减少晶间腐蚀的产生。

(6)其它元素的影响 如在不锈钢中的加入钛、铌等与碳的结合能力比铬更 强的元素,能够与碳结合合成稳定的碳化物,可以避免在 奥氏体中形成贫铬区。这些元素称为稳定剂,并且钛和铌 还是形成铁素体的元素,加入后会促使形成双相组织。所 以,通过添加这些元素也可以减少晶间腐蚀的产生。

五晶间腐蚀的防止方法

         综上所述,我们可以从以下几个方面着手加以控制和 预防:

(1)控制含碳量 通常控制基本金属和焊条的含碳量在0.08% 以下,如 0Crl8Ni9Ti钢板,E0—19—10—15、E0—19—10Nb一15焊条等。 另外,若奥氏体钢中的含碳量小于0.02-0.03% 时,则全部 碳都溶解在奥氏体中,即使在450-850~(2加热也不会形成贫 铬层,故不会产生晶间腐蚀。通常所说的超低碳不锈钢 (如00Crl8Ni10、00Crl7Ni14M03、E00—19—10—16焊条) 含碳量小于0.03% ,因此不会产生晶间腐蚀。

(2)添加稳定剂 在钢材和焊接材料中加入钛、铌等与碳的亲和力比铬 强的元素,这些元素能够与碳结合成稳定的碳化物,从而 避免在奥氏体晶界造成贫铬,对提高抗晶间腐蚀能力起十 分良好的作用。常用的不锈钢材和焊接材料都含有钛和 铌, 如2Crl8NilMo2Ti钢材、E0—19—10Nb一15焊条、 H0Crl9Ni9Ti焊丝等。

(3)进行固溶处理 将焊接接头进行固溶处理,方法是在焊后把焊接接头 加热到1050-11oo℃ ,此时碳又重新溶人奥氏体中,然后 迅速冷却,稳定了奥氏体组织。另外,也可以进行850~ 900~C保温2h的稳定化热处理,此时奥氏体晶粒内部的铬 逐步扩散到晶界, 晶界处的含铬龟又重新恢复到大于 12% ,这样就不会产生晶间腐蚀。

(4)采用双相组织 在焊缝中加入铁素体形成元素, 如铬、硅、铝、钼 等, 以使焊缝由原来的奥氏体单相组织转化成奥氏体加铁 素体的双相组织。但应该注意的是:焊缝金属中铁素体含 量不宜过多,否则也会使焊缝变脆。实践证明焊缝金属中 铁素体含量在5-10% 时, 可有效地减少晶间腐蚀的产生。

(5)加快冷却速度 因为奥氏体钢含碳量低,不会产生淬硬现象,所以在 焊接过程中,可以设法增加焊接接头的冷却速度,如焊件 下用铜垫板,或直接浇水冷却。在焊接工艺上,可以采用 小电流、大焊速、短弧、多道焊等措施, 目的是缩短焊接 接头在危险温度区(450~850~C)停留的时间,使其不致形 成贫铬区,从而有效的防止了晶间腐蚀的产生。此外,还 必须注意焊接次序, 即与腐蚀介质接触的焊缝应最后焊 接,尽量不使它受重复的焊接热循环作用。

参考资料:

[1] 王绍林.焊工工艺学[M].北京: 中国劳动出版社,1987.

[2] 张汉谦.钢熔焊接头金属学【M】.北京:机械工业出版社, 2000、

[3] 李启中译.腐蚀原理[M].北京:水力水电出版社,1984.

[4] 徐初雄.焊接技术问答[M].北京:机械工业出版社,2000.

[5] 周振丰,张文钺.焊接冶金与金属焊接性[M].北京:机械 工业出版社.1987. 作者简介:郑海生,男,1973年生,河南延津人,助理讲师。研 究领域:金属工艺学。 (编辑:滕召旗)

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