萬(wàn) 章

(1.合肥通用機(jī)械研究院，安徽 合肥230031 ;2.國(guó)家壓力容器與管道安全工程技術(shù)研究中心，安徽 合肥 230031)

近年來(lái)，不銹鋼原材料尤其是鎳資源價(jià)格大幅上漲，極大推動(dòng)了低鎳，無(wú)鎳的鐵素體不銹鋼的應(yīng)用。鐵素體不銹鋼具有價(jià)廉、優(yōu)良的耐氯化物應(yīng)力腐蝕、耐海水局部腐蝕和抗氧化性能，但其室溫、低溫韌性差，缺口敏感性高，焊接性能較差，有一定的晶間腐蝕敏感性［1-3］，也帶來(lái)不少應(yīng)用問(wèn)題。本文就鐵素體不銹鋼晶間腐蝕問(wèn)題作相關(guān)探討。

1 鐵素體不銹鋼晶間腐蝕機(jī)理

鐵素體不銹鋼以鉻作為主要耐蝕合金元素，其Cr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%～30%，有的牌號(hào)還加入不超過(guò)5%的鉬作為補(bǔ)充耐蝕合金元素，一般也只有鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于16%的鐵素體不銹鋼才存在晶間腐蝕問(wèn)題。鐵素體不銹鋼晶間腐蝕的機(jī)理有多種，包括貧鉻理論、亞穩(wěn)沉淀相理論、亞穩(wěn)沉淀相溶解理論、沉淀相應(yīng)力理論、腐蝕電化學(xué)理論［4-5］。目前貧鉻理論占主導(dǎo)［6-8］。跟奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕過(guò)程中也有高鉻相的析出和貧鉻區(qū)的產(chǎn)生，但二者在機(jī)理上卻存在著很大的差別。

1.1 碳化物和氮化物析出

在鐵素體不銹鋼中，碳和氮對(duì)其晶間腐蝕敏感性起著及其重要的作用，且在鐵素體中的溶解度很低，要比在奧氏體的溶解度低得多。由于鐵素體的晶體點(diǎn)陣密排度較低，因此合金元素在鐵素體中的擴(kuò)散速度要比在奧氏體中大得多。鐵素體不銹鋼在高于900～950 ℃高溫加熱后，在隨后的冷卻過(guò)程中，即使冷卻很快，也常常難防止高鉻的碳、氮化物沿晶界析出并形成貧鉻區(qū)。鐵素體不銹鋼中形成的碳化物主要是(Cr·Fe)23C6和(Cr·Fe)7C3。形成的氮化物主要是CrN 和CrN2。溫度在750～870 ℃，鐵素體中的鉻仍有足夠的速度向晶界擴(kuò)散并使是貧鉻區(qū)的貧鉻化程度降低和消失。因此鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)16%～20%的鐵素體不銹鋼在780～850 ℃退火處理(空冷或快冷)，可以降低和消除鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕敏感性。但在500～700 ℃內(nèi)，鋼中鉻的擴(kuò)散速度減小，短期內(nèi)無(wú)法使貧鉻區(qū)消失，因而在冷卻過(guò)程中通過(guò)500～700 ℃溫度區(qū)時(shí)，不能降低和消除晶間腐蝕敏感性。

1.2 σ 相的析出

鐵素體不銹鋼析出σ 相的傾向要比奧氏體不銹鋼強(qiáng)得多，在500～925 ℃內(nèi)會(huì)析出較多量σ相與其他金屬間化合物，σ 相的鉻含量遠(yuǎn)高于鋼的平均鉻含量。高鉻相的晶界析出也會(huì)產(chǎn)生貧鉻區(qū)，導(dǎo)致產(chǎn)生晶間腐蝕敏感性。

1.3 475 ℃脆性

鐵素體不銹鋼中碳和氮含量較高時(shí)，鋼從900 ℃以上高溫快冷，鋼中的少量奧氏體會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，也會(huì)提高晶間腐蝕敏感性。400～500 ℃溫度長(zhǎng)期保持會(huì)析出富鉻的α'相，其鉻質(zhì)量分?jǐn)?shù)可達(dá)61%～83%，α'相的析出會(huì)使鋼在硝酸中的耐蝕性下降。α'相析出引起的脆性一般稱(chēng)為475 ℃脆性，加熱到550 ℃以上α'相可溶解。溫軍國(guó)［9］的研究也證實(shí)了475℃脆性現(xiàn)象。

鐵素體不銹鋼因在特定的溫度下具有碳化物、氮化物、σ 相的析出及475 ℃脆性的特點(diǎn)，都在某種程度上增加其晶間腐蝕敏感性，鐵素體不銹鋼晶間腐蝕敏感性是其內(nèi)在因素決定的。

2 鐵素體不銹鋼的影響因素

2.1 化學(xué)成分的影響

鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕敏感性隨鉻含量的升高而降低。鉬元素對(duì)提高局部腐蝕抗力的效力約為鉻的3.3 倍［10］，加入鉬可以提高在有機(jī)酸和還原性介質(zhì)中的耐蝕性，但加入鉬也會(huì)促使σ相、α'相等金屬間化合物的析出，因而加入量一般不超過(guò)4%。

降低碳和氮的含量，可降低碳化物和氮化物的析出，減輕了貧鉻區(qū)的貧鉻程度，從而起到降低晶間腐蝕敏感性。

由于鈦和鈮與鋼中的碳和氮親和力很強(qiáng)，超過(guò)鉻與鋼中碳與氮的親和力，因而在鋼中加入鈦和鈮［11］，可以作為穩(wěn)定化元素形成鈦和鈮的碳化物和氮化物而抑制鋼中鉻的碳、氮化物的形成，從而提高鐵素體不銹鋼的耐晶間腐蝕敏感性。劉天模［12］研究表明鈦元素的引入，消除了鋼中的C 和N 間隙原子，抑制了珠光體組織的生成，凈化了鐵素體晶界，提高了鐵素體組織的均勻性，使其耐腐蝕性能顯著提高。

2.2 狀態(tài)的影響

劉春明［13］研究表明固溶在基體中的碳能夠抑制富Cr 區(qū)的形成，推遲475 ℃脆性的發(fā)生。對(duì)于非穩(wěn)定化鐵素體不銹鋼，由于碳、氮在基體中的溶解度很低，碳、氮、鉻元素的擴(kuò)散速度又很快，從高溫到900 ℃以上的溫度，即使冷卻速度很快，晶間也會(huì)充分析出碳化鉻和氮化鉻，并形成貧鉻區(qū)，產(chǎn)生了晶間腐蝕敏感性。這種晶間腐蝕敏感性一般比奧氏體不銹鋼高。在隨后冷卻到700 ℃以上的溫度區(qū)域，并不是繼續(xù)析出碳化鉻和氮化鉻，因其早已充分析出，而是基體中的鉻向相貧鉻區(qū)擴(kuò)散，會(huì)降低和消除貧鉻區(qū)，并降低該區(qū)域晶間腐蝕敏感性。如果在這個(gè)溫度區(qū)域保持時(shí)間較長(zhǎng)，會(huì)消除晶間腐蝕敏感性。在700 ℃以下的溫度，鉻的擴(kuò)散已很困難，不能再起降低和消除貧鉻區(qū)的作用。故為了獲得良好的耐晶間腐蝕性能，鐵素體不銹鋼的供貨狀態(tài)應(yīng)為退火處理狀態(tài)。

2.3 焊接性能的影響

鐵素體不銹鋼焊接接頭有較大的晶間腐蝕傾向，一般出現(xiàn)在焊接時(shí)溫度高于1 000 ℃的熔合線附件，鐵素體不銹鋼在高溫下晶粒急劇長(zhǎng)大，使鋼的脆性增大，含Cr 量越高，在高溫停留時(shí)間越長(zhǎng)，則脆化傾向越嚴(yán)重，晶間腐蝕敏感性越高。

3 預(yù)防措施

(1)盡可能降低碳和氮的含量，減少碳化物和氮化物的析出。

(2)加入穩(wěn)定化元素鈦和鈮來(lái)固定鋼中的碳和氮，降低碳化物跟氮化物的析出。

(3)加入耐腐蝕元素Mo，Cu 及Pd 增強(qiáng)耐蝕性。

(4)以退火態(tài)交貨，降低和消除貧鉻區(qū)。

(5)焊接接頭采用小電流，大焊速，盡量用窄焊道焊接，多層焊時(shí)應(yīng)注意層間溫度。即在焊接過(guò)程中，盡可能降低焊接所產(chǎn)生的熱量，避免高鉻相的析出。

4 晶間腐蝕敏感性檢測(cè)方法

目前國(guó)內(nèi)晶間腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)［14］中，還未提及到鐵素體不銹鋼，國(guó)內(nèi)一些學(xué)者已進(jìn)行了相關(guān)試驗(yàn)的研究。

朱朝明在文獻(xiàn)［2］14-16中按照ASTM A763-93標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)多種鐵素體不銹鋼分別采用4 種方法進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果表明:對(duì)于高鉻或中鉻鐵素體不銹鋼，可以采用ASTM 標(biāo)準(zhǔn)所推薦的試驗(yàn)方法;對(duì)于低鉻鐵素體不銹鋼，ASTM 標(biāo)準(zhǔn)推薦的方法都太苛刻。

黨政軍［15］采用草酸腐蝕方法研究了幾種鐵素體不銹鋼對(duì)晶間腐蝕的敏感性，并與H2SO4-Fe2(SO4)3和HNO3方法對(duì)比，結(jié)果表明:10%的草酸腐蝕法檢測(cè)晶間腐蝕即快速又靈敏，適用檢測(cè)鐵素體不銹鋼。

胡方堅(jiān)等［16］采用過(guò)Cu-CuSO4-16%H2SO4沸騰試驗(yàn)和電化學(xué)方法進(jìn)行研究鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕敏感性。證實(shí)該兩種方法均適用鐵素體不銹鋼晶間腐蝕檢測(cè)。

盡管學(xué)者們?cè)阼F素體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)研究取得相關(guān)成就，制定鐵素體不銹鋼晶間腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)還需進(jìn)行更多科學(xué)準(zhǔn)確的試驗(yàn)。

5 結(jié)束語(yǔ)

跟奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼有其獨(dú)特的晶間腐蝕機(jī)理及影響因素，需根據(jù)具體情況采取相關(guān)的措施，來(lái)降低其晶間腐蝕敏感性。還需進(jìn)行更多的試驗(yàn)制定更加科學(xué)合理的晶間腐蝕試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步規(guī)范鐵素體不銹鋼的應(yīng)用。

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