鐵素體不銹鋼晶間腐蝕問題的探討

萬 章

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

近年來，不銹鋼原材料尤其是鎳資源價格大幅上漲，極大推動了低鎳，無鎳的鐵素體不銹鋼的應用。鐵素體不銹鋼具有價廉、優(yōu)良的耐氯化物應力腐蝕、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］，也帶來不少應用問題。本文就鐵素體不銹鋼晶間腐蝕問題作相關探討。

1 鐵素體不銹鋼晶間腐蝕機理

鐵素體不銹鋼以鉻作為主要耐蝕合金元素，其Cr 質量分數(shù)為10%～30%，有的牌號還加入不超過5%的鉬作為補充耐蝕合金元素，一般也只有鉻質量分數(shù)大于16%的鐵素體不銹鋼才存在晶間腐蝕問題。鐵素體不銹鋼晶間腐蝕的機理有多種，包括貧鉻理論、亞穩(wěn)沉淀相理論、亞穩(wěn)沉淀相溶解理論、沉淀相應力理論、腐蝕電化學理論［4-5］。目前貧鉻理論占主導［6-8］。跟奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕過程中也有高鉻相的析出和貧鉻區(qū)的產生，但二者在機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陣密排度較低，因此合金元素在鐵素體中的擴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散并使是貧鉻區(qū)的貧鉻化程度降低和消失。因此鉻質量分數(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，鋼中鉻的擴散速度減小，短期內無法使貧鉻區(qū)消失，因而在冷卻過程中通過500～700 ℃溫度區(qū)時，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得多，在500～925 ℃內會析出較多量σ相與其他金屬間化合物，σ 相的鉻含量遠高于鋼的平均鉻含量。高鉻相的晶界析出也會產生貧鉻區(qū)，導致產生晶間腐蝕敏感性。

1.3 475 ℃脆性

鐵素體不銹鋼中碳和氮含量較高時，鋼從900 ℃以上高溫快冷，鋼中的少量奧氏體會轉變?yōu)轳R氏體，也會提高晶間腐蝕敏感性。400～500 ℃溫度長期保持會析出富鉻的α'相，其鉻質量分數(shù)可達61%～83%，α'相的析出會使鋼在硝酸中的耐蝕性下降。α'相析出引起的脆性一般稱為475 ℃脆性，加熱到550 ℃以上α'相可溶解。溫軍國［9］的研究也證實了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，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在因素決定的。

2 鐵素體不銹鋼的影響因素

2.1 化學成分的影響

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酸和還原性介質中的耐蝕性，但加入鉬也會促使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，超過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，晶間也會充分析出碳化鉻和氮化鉻，并形成貧鉻區(qū)，產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)擴散，會降低和消除貧鉻區(qū)，并降低該區(qū)域晶間腐蝕敏感性。如果在這個溫度區(qū)域保持時間較長，會消除晶間腐蝕敏感性。在700 ℃以下的溫度，鉻的擴散已很困難，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大，使鋼的脆性增大，含Cr 量越高，在高溫停留時間越長，則脆化傾向越嚴重，晶間腐蝕敏感性越高。

3 預防措施

(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，多層焊時應注意層間溫度。即在焊接過程中，盡可能降低焊接所產生的熱量，避免高鉻相的析出。

4 晶間腐蝕敏感性檢測方法

目前國內晶間腐蝕試驗標準［14］中，還未提及到鐵素體不銹鋼，國內一些學者已進行了相關試驗的研究。

朱朝明在文獻［2］14-16中按照ASTM A763-93標準，對多種鐵素體不銹鋼分別采用4 種方法進行試驗，結果表明:對于高鉻或中鉻鐵素體不銹鋼，可以采用ASTM 標準所推薦的試驗方法;對于低鉻鐵素體不銹鋼，ASTM 標準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晶間腐蝕的敏感性，并與H2SO4-Fe2(SO4)3和HNO3方法對比，結果表明:10%的草酸腐蝕法檢測晶間腐蝕即快速又靈敏，適用檢測鐵素體不銹鋼。

胡方堅等［16］采用過Cu-CuSO4-16%H2SO4沸騰試驗和電化學方法進行研究鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕敏感性。證實該兩種方法均適用鐵素體不銹鋼晶間腐蝕檢測。

盡管學者們在鐵素體不銹鋼晶間腐蝕試驗研究取得相關成就，制定鐵素體不銹鋼晶間腐蝕試驗標準還需進行更多科學準確的試驗。

5 結束語

跟奧氏體不銹鋼相比，鐵素體不銹鋼有其獨特的晶間腐蝕機理及影響因素，需根據(jù)具體情況采取相關的措施，來降低其晶間腐蝕敏感性。還需進行更多的試驗制定更加科學合理的晶間腐蝕試驗標準進一步規(guī)范鐵素體不銹鋼的應用。

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