ZG0Cr18Ni12Mo2Ti不銹鋼鑄件晶間腐蝕裂紋的原因分析

衛(wèi)心宏 張曉暉 潘嘉玉

(太原重型機械集團有限公司，山西030024)

奧氏體不銹鋼在常溫下和低溫下具有良好的韌性、塑性、焊接性及抗腐蝕性能，因而廣泛的應(yīng)用于石油化工、海工等設(shè)備耐腐蝕零件中。我公司生產(chǎn)的大型不銹鋼殼體鑄件，鑄件輪廓尺寸較大，為復(fù)雜厚大鑄鋼件，材質(zhì)為奧氏體不銹鋼ZG0Cr18Ni12Mo2Ti，材質(zhì)代號316Ti。鑄件在固溶處理后，本體附鑄試樣在進行晶間腐蝕彎曲試驗時存在裂紋缺陷。針對存在的晶間腐蝕不合格問題，從材質(zhì)的化學(xué)成分、力學(xué)性能、顯微組織和缺陷的微觀等方面進行了分析，并從改進材質(zhì)的晶間腐蝕性能方面對生產(chǎn)工藝提出改進措施。

1 晶間腐蝕裂紋情況

ZG0Cr18Ni12Mo2Ti鑄件附鑄試樣和鑄件同爐進行固溶處理試驗后，加工了兩個80 mm×20 mm×3.5 mm的腐蝕試驗試樣，按GB/T 4334—2008中E法進行不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗，試樣先進行650℃敏化處理，連續(xù)在硫酸-硫酸銅溶液煮沸16 h進行腐蝕試驗，然后進行彎曲試驗。彎曲試驗后發(fā)現(xiàn)兩個試樣都存在缺陷，彎曲試樣缺陷部位放大觀察，發(fā)現(xiàn)彎曲變形區(qū)表面存在3條小裂紋，裂紋比較短粗，裂紋呈不規(guī)則的斷續(xù)角狀和點狀形態(tài)，具有明顯晶間腐蝕裂紋特征，判定晶間腐蝕不合格。晶間腐蝕試樣和腐蝕試樣裂紋表面宏觀形狀見圖1和圖2。

圖1 晶間腐蝕彎曲試樣Figure 1 Bending specimen for intergranular corrosion

圖2 裂紋表面宏觀形狀(×10)Figure 2 Macro crack surface shape×10

2 試驗分析

2.1 化學(xué)成分分析

表1 化學(xué)成分(質(zhì)量分數(shù)，%)Table 1 Chemical composition(Mass, %)

(a)晶粒度0級(×50)(b)基體組織:奧氏體(×100)(c)夾雜形態(tài)(×50)(d)沿晶網(wǎng)狀組織(×100)

圖3 試樣顯微組織分析Figure 3 Micro structure analysis of specimen

圖4 晶間腐蝕裂紋形貌分析Figure 4 Morphology analysis of intergranular corrosion crack

對ZG0Cr18Ni12Mo2Ti不銹鋼材質(zhì)鑄件附鑄試樣進行宏觀化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。從化學(xué)成分分析看，其中Al含量較高，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的要求。

2.2 力學(xué)性能分析

鑄件附鑄試驗料的力學(xué)性能分析結(jié)果見表2?？股煨阅堋⑸扉L率、沖擊性能等指標(biāo)都符合標(biāo)準(zhǔn)要求，伸長率和斷面收縮合格且較高。加工了一組空白彎曲試樣，沒有腐蝕，進行彎曲對比試驗，試驗無裂紋等缺陷產(chǎn)生，說明晶間腐蝕后彎曲試驗產(chǎn)生裂紋不是材料塑性低及彎曲造成的裂紋。

2.3 試樣顯微組織分析

附鑄試樣取樣進行金相分析，見圖3。材質(zhì)的顯微組織為奧氏體+島狀及條狀鐵素體，晶粒度0級，顯微組織狀態(tài)正常。但分析試樣顯微組織發(fā)現(xiàn)，組織不均勻及微觀夾雜物較多，并有少量微觀鑄態(tài)疏松存在。在固溶處理時，厚大不銹鋼鑄件因厚大部位鑄造熱節(jié)較大，冷卻速度相對較慢，容易在晶界析出少量的碳化鉻等碳化物，導(dǎo)致材質(zhì)晶間腐蝕性能下降。在材質(zhì)敏化處理和晶間腐蝕后，彎曲試驗時產(chǎn)生開裂缺陷。

2.4 裂紋電鏡分析

腐蝕試樣彎曲裂紋的形貌分析如圖4。裂紋呈不規(guī)則斷續(xù)形態(tài)，裂紋內(nèi)有光滑的自由表面，也有因變形撕裂的斷口形態(tài)。裂紋能譜定性分析發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)撕裂斷口區(qū)有較高Al、O等元素分布，說明晶間腐蝕試樣裂紋內(nèi)有氧化鋁類夾雜物存在。另外，斷口裂紋內(nèi)Cr、Ni、Ti等元素的分布為Cr14.61%、Ni6.39%、Ti0.35%，其中Cr明顯低于宏觀分析的成分范圍，表現(xiàn)晶界區(qū)貧Cr的分布狀態(tài)，初步分析這兩個原因是造成產(chǎn)生晶間腐蝕裂紋的主要原因。

3 分析討論

3.1 晶間腐蝕原因分析

(1)ZG0Cr18Ni12Mo2Ti鑄件材質(zhì)增加了碳化物形成元素Ti，固溶處理后能夠部分抑制鉻碳化物的形成，減輕晶界區(qū)貧Cr，從而提高抗晶間腐蝕能力。但由于殼體鑄件比較厚大，鑄件固溶處理冷卻過程中，冷卻速度相對較慢及不均勻，鈦合金的作用不能充分發(fā)揮，在650℃敏化處理時，碳化鉻等又會沿晶界析出，晶界容易出現(xiàn)貧Cr區(qū)域及腐蝕破壞，而降低材質(zhì)抗晶界腐蝕能力。

(2)奧氏體不銹鋼鑄件的抗晶間腐蝕能力一般比軋鍛件差，主要是在鑄件鑄造過程中易產(chǎn)生夾雜、偏析及疏松等，易產(chǎn)生晶間腐蝕。從晶間腐蝕試樣分析看，裂紋內(nèi)有氧化鋁類等夾雜物存在，增加材質(zhì)晶界腐蝕的敏感性，顯微夾雜是引起的晶間腐蝕不合格的另一個原因。

3.2 預(yù)防改進措施

(1)改進固溶處理工藝，適當(dāng)提高固溶處理溫度(1080℃提高到1120℃)和固溶處理后冷卻速度。固溶處理時，晶界Cr的碳化物全部被溶解，部分Ti的碳化物也被溶解并彌散細化，使C重新溶解于奧氏體中，然后快速冷卻，使C來不及析出，形成穩(wěn)定均勻的奧氏體組織，消除晶界處貧Cr組織及不均勻組織，降低材質(zhì)的晶間腐蝕的敏感性。

(2)增加穩(wěn)定化處理工藝，固溶處理后再加熱到900～930℃進行穩(wěn)定化處理，這樣Ti的碳化物首先從奧氏體中析出，從而阻止碳化鉻的析出，進一步避免出現(xiàn)晶界貧Cr組織，提高材質(zhì)的抗晶界腐蝕性能。穩(wěn)定化處理是改善ZG0Cr18Ni12Mo2Ti等含Ti不銹鋼晶間腐蝕性能的重要措施。

(3)采用以上措施，處理了2套ZG0Cr18Ni12Mo2Ti不銹鋼殼體鑄件，晶間腐蝕試驗全部合格，理化性能全部達到用戶要求。實驗表明，大型ZG0Cr18Ni12Mo2Ti不銹鋼鑄件采用合適的固溶處理工藝、穩(wěn)定化處理工藝，進一步提高鋼水純凈度，控制合適的Al含量，降低P、S等有害元素的含量，是降低材質(zhì)晶間腐蝕敏感性和防止晶間腐蝕不合格的有效措施。

4 結(jié)論

(1)通過試驗分析，大型ZG0Cr18Ni12Mo2Ti不銹鋼鑄件晶間腐蝕不合格是鑄件基體組織中存在氧化鋁等顯微夾雜及晶界區(qū)貧Cr等原因?qū)е碌摹?/p>

(2)通過采用改進的固溶處理工藝、增加900～930℃范圍穩(wěn)定化處理等措施，提高了ZG0Cr18Ni12Mo2Ti材質(zhì)抗晶間腐蝕能力，生產(chǎn)出

晶間腐蝕性能合格的鑄件。

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