《奥氏体不锈钢晶间腐蚀机理及预防措施》由会员分享，可在线阅读，更多相关《奥氏体不锈钢晶间腐蚀机理及预防措施（3页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、- 8 8 - 中国科技信息 2 0 0 6 年第 1 6 期 C H I N A S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N A u g . 2 0 0 6制 造 1 、引言 随着现代工业的快速发展，不锈钢 在现代机械生产加工中得到广泛应用。 通常不锈钢指空气中能够抵抗腐蚀的钢。 它有两种分类法：一种是按化学成分， 分为铬不锈钢和铬镍不锈钢；另一种则 按正火状态下钢的组织状态，分为马氏 体不锈钢、铁素体不锈钢、奥氏体不锈 钢和奥氏体铁素体不锈钢等。 奥氏体不锈钢是目前应用最广的不锈 钢：它以铬、镍为主要合金元素，
2、因具 有优良的耐蚀性、力学性能等综合性 能，导致它在生产中需求快速地增长， 并占据重要的地位。奥氏体不锈钢化学 成分类型有C r 1 8 N i 9 （1 8 8 型不 锈钢） 、C r 1 8 N i 1 2 、C r 2 3 N i 1 3 、C r 2 5 N i 2 0 等。常用的有 1 C r 1 8 N i 9 T i 。奥氏体不锈钢的焊接性从 理论上讲，与铁素体、马氏体不锈钢相 比，被认为是较好的，它不因温度变化 发生相变，对氢脆不敏感，在焊态下接 头也有较好的塑性和韧性。但这并不意 味着在所有的情况下该钢的焊接质量都能 达到较高的使用要求。在役的奥氏体不 锈钢焊接结构中，焊后接
3、头出现晶间腐 蚀破坏的时有发生，这不仅影响了结构 的正常使用和安全性，还给企业造成经 奥氏体不锈钢 晶间腐蚀机理及预防措施 黄一桓 福建省三明市机电技校 3 6 5 0 0 0 摘 要 奥氏体不锈钢焊缝由于晶间腐蚀的发生，导 致结构发生早期失效，结果既影响了正常使 用和安全性，又给企业造成经济损失。因此 探究奥氏体不锈钢晶间腐蚀地产生机理，提 出预防晶间腐蚀和进一步提高耐蚀性的工艺 措施，以期延长材料的使用寿命，扩大材料 的应用范围。 关键词 奥氏体不锈钢; 焊接; 晶间腐蚀; 产生机理; 预防 措施 济损失。奥氏体不锈钢的晶间腐蚀问题 归根结底是与其焊接性相关，然而人们 往往对它的认识不足，
4、对它焊接性能不 甚了解，选用不当的焊接工艺，而产生 晶间腐蚀缺陷，导致具有寿命优势的奥 氏体不锈钢早期失效。为此，本文将对 铬镍奥氏体不锈钢晶间腐蚀缺陷的产生机 理进行探讨，并据此开展预防不锈钢晶 间腐蚀，提高耐蚀性的初步探讨。 2 、晶间腐蚀的形成条件、机理 典 型 的 1 8 - 8型 不 锈 钢 （1 C r 1 8 N i 9 T i ）一般是在固溶处理状态 下使用，于常温下腐蚀介质中工作，它 的耐蚀性能是基于钝化作用：奥氏体不 锈钢含有较高的铬，铬易氧化形成致密 的氧化膜，能提高钢的电极电位，因此 具有良好的耐蚀性能。当含铬量 1 8、 镍量 8 时，能得到均匀的奥氏体组织， 且含铬
5、和镍量越高，奥氏体组织越稳 定，耐蚀性能就越好，故通常没有晶间 腐蚀现象。但如经再次加热到 4 5 0 8 5 0 或在此温度区间工作，并且钢中含碳 量超过0 . 0 2 0 . 0 3 ，又缺少T i 、N b 等 能控制碳的元素时，处于腐蚀介质中往 往就可以见到晶间腐蚀现象。这说明， 晶间腐蚀和钢的成分（碳和碳化物形成 元素）有关，还与加热条件有关。 对于1 8 - 8 型不锈钢而言（图1 ） ，某 一含碳量，加热条件（温度和时间）正 处在曲线包围的影线区时，钢便产生晶 间腐蚀倾向；若加热条件偏离曲线包围 的影线区时，则晶间腐蚀倾向极小或根 本不发生。因此，碳能显著增大晶间腐 蚀敏感性。若
6、钢中同时含有强碳化物形 成元素T i 、N b时，则碳的有害作用将降 低 。 现已有一些学说对晶间腐蚀现象做了 解释，其中以碳化铬在晶界沉淀为前提 的“贫铬理论”较普遍为人们所接受。 铬是决定不锈钢耐蚀性的主要元素，有 效含量应超过1 2 。以含碳量为 0 . 0 8 的普通 1 8 - 8型钢为例（图 2 ） 。室温时 的碳的溶解度只有0 . 0 2 0 . 0 3 ，固溶处 理后奥氏体必为碳过饱和，而呈不稳定 状态。若经再次中温加热（在 4 5 0 8 5 0 之间） ，则过饱和的碳将向晶界扩 图1 1 8 - 8 钢的晶间腐蚀敏感温度- 时间曲线 - 8 9 - 钢中含碳量小于0 . 0
7、 2 0 . 0 3 时，全部 碳都溶解在奥氏体中，不会产生晶间腐 蚀。超低碳不锈钢（如 0 0 C r 1 8 N i 1 0 、 A 0 0 2 ）的大量应用就是此原理。 采用双相组织 钢中的合金元素是形成双相组织的主 要因素。奥氏体化元素有 N i 、C 、M n 、 N、Cu等；而铁素体化元素则有 Cr、 Nb、Ti、Mo、V、W、Si等。当不 锈钢中铬与镍的质量分数之比大于 1 . 8 时，就会出铁素体组织。调整钢的化学 成分，在焊缝中加入铁素体形成元素， 就可促使焊缝形成奥氏体加少量铁素体的 双相组织。形成双相组织的优势在于， 双相组织中的奥氏体，其碳的浓度较 大，碳有向铁素体扩散
8、的趋势；而铁素 体中铬的浓度较大，铬就有向奥氏体扩 散的趋势。奥氏体中的碳和铁素体中的 图2 1 8 - 8钢平衡图（低碳部分） 散，与铬结合而形成C r 2 3 C 6 或( C r 、F e ) 2 3 C 6沉淀于晶界。这时，由于铬的原子 半径较大，在晶粒内部的扩散速度较 慢，来不及向晶界扩散，故在形成铬的 碳化物时，晶界处可能发生铬的“供不 应求”现象，致使靠近晶界的晶粒表面 一个薄层严重缺铬（铬的有效含量低于 1 2 % ） 。当有腐蚀介质作用时，这一缺铬 区域将产生明显腐蚀，即晶间腐蚀。 T i 、N b的有利作用在于，可优先与 碳结合形成 T i C或 N b C ，消耗掉晶界过
9、 饱和的碳，从而防止碳与铬结合，避免 缺铬现象发生。所以，含有 T i或 N b的 钢一般不具有晶间腐蚀倾向。 超低碳不锈钢由于不存在碳的过饱 和，就无所谓碳的过饱和析出，因此也 不发生晶间腐蚀。 加热条件的影响主要是与合金元素的 扩散相联系。加热温度低（4 5 0 ）或 加热时间短，不利于扩散而难以形成铬 的碳化物，不致产生缺铬现象；加热温 度较高（ 850） ，铬的扩散速度加 快， “供铬”条件得到改善，晶粒表层 缺铬现象可以逐步消失；加热时间充分 长时，也有利于铬的均匀扩散而不致形 成贫铬层。 3 、晶间腐蚀的预防 在了解奥氏体不锈钢晶间腐蚀的形成 机理后，据此提出以下几条预防措施： 严
10、格控制含碳量 碳是造成晶间腐蚀的主要元素，碳 含量在0 . 0 8 以下时，能够析出碳的数量 少；碳含量在 0 . 0 8 以上时，则析出碳 的数量迅速增加。所以常控制母材金属 和焊条的含碳量在 0.08以下，如 0 C r 1 8 N i 9 T i 、A 1 0 7 等。另外，奥氏体 图3 T i C 及C r 2 3 C 6 在1 8 - 8 钢中的溶解度 - 9 0 - 中国科技信息 2 0 0 6 年第 1 6 期 C H I N A S C I E N C E A N D T E C H N O L O G Y I N F O R M A T I O N A u g . 2 0 0
11、 6制 造 铬都向两相交界处扩散，由于碳的扩散 速度很大，有可能碳首先从奥氏体越过 边界与铬形成碳化铬；又由于铬在铁素 体里的扩散速度要比在奥氏体中快得多， 所以一旦在晶界处出现贫铬层，铬能够 较快地从铁素体内部得到补充，而使贫 铬层消失，使奥氏体晶界上析出的碳化 铬数量减少、分布不连续，并打乱单一 奥氏体柱状晶的方向性，从而避免贫铬 层贯穿于晶粒之间构成腐蚀介质的集中通 道，降低了晶间腐蚀倾向。 形成双相组织有利于防止晶间腐蚀， 但也应注意铁素体含量的控制。铁素体 含量超过 5 %时，相（F e C r金属间化 合物）很快形成。相硬而脆（HRC 6 8） ，分布在晶界，不仅使焊缝冲击 韧性和
12、塑性急剧下降，还将增大晶间腐 蚀倾向。 因此综合考虑，奥氏体不锈钢焊缝 的铁素体数量为4 1 2 较适宜。实践表 明，5 左右的铁素体能获得较满意的抗 晶间腐蚀性能。 添加稳定剂 焊接材料中加入钛、铌等与碳的亲 和力比铬强的元素，能提高抗晶间腐蚀 能力。因此常用焊接材料1 C r 1 8 N i 9 T i 、 A 1 3 7 、A 3 0 2等，都含有钛或铌。 进行固溶处理 在焊后把接头加热到1 0 5 0 1 1 5 0 ， 保温 1 h后水淬（图 3 ） 。此时晶界碳化 铬被全部溶解，部分钛和铌的碳化物也 被溶解，使碳重新溶入奥氏体中，然后 迅速冷却，使碳来不及析出，形成稳定 均一的奥氏
13、体组织，消除晶界处的贫铬 层，避免产生晶间腐蚀。 进行均匀化处理 将奥氏体不锈钢加热到8 5 0 9 0 0 ， 保温2 h ，使晶粒内部的铬也扩散到晶粒 边界，使晶界铬的质量分数重新恢复到 大于 1 2 ，从而消除晶界贫铬层。 减小焊接线能量 在焊接工艺方面，采用小电流，大 焊速，短弧，直道焊接。多层多道焊 时，层间温度不宜过高，应待先焊的一 层完全冷却后（ 6 0） ，再进行下一 层焊接，且层间接头错开。 奥氏体钢的电阻率大（约为碳钢的 5 倍） ，导热系数小，焊接电流应比同样 直径的低碳钢焊条小 1 0 2 0 。以手弧 焊为例，平焊的焊接电流为焊芯直径的 2 5 3 5倍，在立焊或仰焊
14、时，焊接电流 还要再减小1 0 3 0 。 小线能量、小电流、快速焊，冷却 速度快，在敏化温度区停留时间短，有 利于防止晶间腐蚀；短弧，焊丝或焊条 芯中所含对氧亲和力大的合金元素 T i 、 N b 、C r 、A l等烧损少，有利于防止晶 间腐蚀。 加快接头的冷却 焊件焊前不预热，焊后应尽可能加 快接头的冷却，如使用铜垫板等，甚至 条件允许还可用水冷等强制措施，来减 少接头在危险温度的停留时间，防止晶 间腐蚀产生。 合理安排焊接顺序 多层焊和双面焊时，后一条焊缝的 热作用可能对先焊焊缝的过热区起到敏化 温度加热的作用。为此，双面焊缝中与 腐蚀介质接触的一面应尽可能最后焊接。 焊缝布局上应尽量
15、避免交叉焊缝，减少 焊缝接头。与腐蚀介质接触的焊缝若无 法安排最后焊接，则应调整工艺参数， 使后焊焊缝的敏化区不与第一面焊缝表面 的过热区重合（图 4） 。 4 、其他工艺事项 进一步提高不锈钢焊缝的耐蚀性， 则还应严格控制以下几项： 为避免损伤不锈钢表面，在坡口 两侧刷涂石灰水或商品化的专用防飞溅 剂，并在焊后彻底清除飞溅物、残渣； 禁止在坡口之外的焊件上随处任意 打 弧 ； 焊接电缆卡头在工件上要卡紧， 以免发生打弧或过烧现象； 焊接前、后的处理对产品耐蚀性 影响很大： 钢材的贮存及运输应与一般结构钢 分开，以免被铁锈等污染； 钢材表面光滑平整，避免碰撞或 摩擦损伤，划线下料时不要打冲眼和
16、不 用划针； 尽可能用机械加工或等离子弧切割 下料，避免用碳弧切割； 封头等零件最好冷压成形，热压 成形时应检查耐蚀性变化，并做相应的 热处理； 焊接前后热处理时，加热前必须 将钢材表面污物洗净，以免加热时产生 渗 碳 。 表面处理（磨平、抛光、酸洗、 钝化）必须严格遵守操作规程，以表面 呈均匀的银白色为宜。 5 、结束语 奥氏体不锈钢焊接易出现晶间腐蚀缺 陷，且存在导热性能差、线膨胀系数 大、熔池的流动性差等不利因素，因此 只有选择合适的焊接方法、焊接材料， 遵循相关的焊接工艺，才能保证奥氏体 不锈钢的焊接质量，使其寿命优势得到 充分发挥，让它的应用范围进一步扩 大 。 图4 第二面焊缝的敏化区对晶间腐蚀的影响 参考文献 1 郑应国, 郑祺. 电焊工工艺学.（中国劳动 出版社） . 1 9 9 6 2 焊工初级技能、中级技能、高级 技能. 劳动和社会保障部中国就业培训技 术指导中心组织编写. 中国劳动社会
