晶間腐蝕是一種選擇性的腐蝕破壞,它與一般選擇性腐蝕不同,腐蝕不是從局部外表面開始的,而是集中發生在金屬的晶界區,因此稱做晶間(jian)腐蝕。發生這種類型腐蝕之后,有時從外觀上不易察覺出來,但由于晶界區因腐蝕已遭到破壞,材料強度幾乎完全喪失,嚴重者可失去金屬聲,這時每個晶粒實際上已接近分離,稍經受力即沿晶界斷裂,甚至會成為粉末。所以晶間腐蝕是一種危害性很大的腐蝕破壞。
晶間腐蝕在鉻鎳、鉻錳氮等奧氏體在線亞洲日產一區二區:不銹鋼管與高鉻鐵素體不銹鋼管中均可發生,兩者表現形式雖相同,但其機理不完全一樣。
奧氏體不銹鋼在450~850℃區間受熱后,原來固溶在奧氏體中的碳與鉻結合,在奧氏體晶界以Cr23C6碳化物的形式析出,造成了晶界區的奧氏體貧鉻,即鉻降到不銹鋼耐蝕所需要的最低含量以下,從而使腐蝕集中在晶界的貧鉻區。貧鉻區的厚度為10~41nm。貧鉻區成為微陽極,Cr23C6和其余奧氏體區成了微陰極,于是構成了腐蝕微電池。這就是通常所說的奧氏體不銹鋼晶界腐蝕的貧鉻論。
消除鉻鎳奧氏體不銹鋼管因Cr23C6析出所造成的晶間腐蝕的方法,有如下幾種。
①. 采用(yong)高(gao)溫(wen)1050~1100℃固溶(rong)處(chu)理,將鉻的碳化物全部溶(rong)解在奧(ao)氏(shi)體中,然后水淬(cui),將奧(ao)氏(shi)體固定下來。但這通常只適用(yong)于(yu)不再焊(han)接的鋼。
②. 生產超低碳(C含量<0.03%)不銹鋼,使Cr23C6無從析出。
③. 改變析出的碳化物類型。最常用的方法是向鋼中加入強碳化物形成元素,如Ti、Nb等。由于這些元素與碳的結合力比鉻大得多,因此,當這些元素的量足夠時只會形成TiC或NbC 等穩定型碳化物,不再會出現Cr23C6。而且TiC或NbC在1050℃以下不溶于奧氏體,這就排除了在低溫形成Cr23C6的可能性,從而就消除了由于Cr23C6析出所造成的晶間腐蝕。一般含有Ti、Nb這類元素的鋼稱為穩定化鋼。實踐證明,為避免奧氏體鋼產生晶間腐蝕,加入Ti或Nb的量顯然取決于鋼中的碳含量,它們在鋼中的含量應分別為
0.8% ≥ [Ti] ≥ 5([C]-0.02) (3-1)
1.0% ≥ [Nb] ≥ 10[C]-0.02) (3-2)
式中,[C]為鋼的總碳量;0.02為可溶解于奧氏體而不形成碳化物的那一部分碳。需要指出,以Ti、Nb等元素穩定化的鋼,必須再經穩定化熱處理才能保證無晶間腐蝕。穩定化熱處理的工藝為:850~880℃保溫5~6h后空冷。這樣處理的目的就是讓Cr23C6型碳化物溶解,而讓TiC或NbC充分析出。
④. 改變晶界上碳化鉻析出的數量及分布狀態。欲達此目的,可有兩種途徑:一是調整鋼的化學成分,使鋼成為奧氏體鐵素體雙相組織;二是把鋼預先進行冷形變。當鋼為γ+δ雙相組織時,如鋼在450~850℃受熱,則Cr23C6碳化物首先在δ/γ相界處的δ鐵素體一側析出,并且呈分散的點狀,這樣,就減少了在奧氏體晶界析出的Cr23C6的量。同時,由于鉻在δ鐵素體中的擴散系數要比在奧氏體中的擴散系數大103倍,所以不至于在8鐵素體內Cr23C6析出的周圍造成貧鉻區。這樣,就降低了晶間腐蝕傾向。把鋼預先進行冷形變,就可使Cr23C6沿滑移帶析出。這樣,也使得奧氏體晶界上析出的Cr23C6數量減少及分布不連續,從而也就降低了晶間腐蝕傾向。
鐵素(su)體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)有時(shi)(shi)也(ye)可產生晶(jing)(jing)間(jian)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi),但避免(mian)這種腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)熱(re)處理工(gong)藝(yi)恰好與奧(ao)氏體(ti)(ti)鋼(gang)相反。研究指(zhi)出(chu),鐵素(su)體(ti)(ti)不銹(xiu)鋼(gang)自900℃以(yi)上急速水(shui)冷(leng)后(hou),很容易(yi)(yi)遭受晶(jing)(jing)間(jian)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi);這種易(yi)(yi)受晶(jing)(jing)間(jian)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)狀態(敏(min)化(hua)態)經過650~850℃加(jia)熱(re)后(hou),便(bian)可消(xiao)除(chu)(chu)。但奧(ao)氏體(ti)(ti)鋼(gang)和鐵素(su)體(ti)(ti)鋼(gang)發(fa)生晶(jing)(jing)間(jian)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)以(yi)及(ji)消(xiao)除(chu)(chu)晶(jing)(jing)間(jian)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)的(de)(de)(de)處理如此不同,是由(you)于(yu)(yu)(yu)C及(ji)N在α中(zhong)的(de)(de)(de)固溶(rong)度遠小于(yu)(yu)(yu)在γ中(zhong)的(de)(de)(de)固溶(rong)度,加(jia)上C及(ji)N在α晶(jing)(jing)界(jie)(jie)吸附趨勢大,易(yi)(yi)在α晶(jing)(jing)界(jie)(jie)析出(chu)碳化(hua)鉻(ge),因而(er)(er)形成貧鉻(ge)區引起晶(jing)(jing)間(jian)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)。碳化(hua)鉻(ge)在α晶(jing)(jing)界(jie)(jie)的(de)(de)(de)析出(chu),用一般的(de)(de)(de)水(shui)冷(leng)無法抑制,這是一方面;另一方面,由(you)于(yu)(yu)(yu)Cr在α中(zhong)的(de)(de)(de)擴散較(jiao)在γ中(zhong)擴散來(lai)得快,因而(er)(er)在650~850℃短時(shi)(shi)加(jia)熱(re)即可消(xiao)除(chu)(chu)貧鉻(ge)區,從(cong)而(er)(er)消(xiao)除(chu)(chu)了(le)晶(jing)(jing)間(jian)腐(fu)(fu)(fu)蝕(shi)。
晶間腐蝕是沿晶粒界面所產生的局部腐蝕,受焊接使用的高溫Cr23C6在晶界析出,而在其近旁的貧鉻部位產加熱,鉻碳化物產生選擇性的腐蝕。
晶間腐蝕是在結晶粒界進行的局部腐蝕。腐蝕在內部進行時會使結晶顆粒紛紛脫落。不銹鋼管的基體是鐵中含有鉻的合金,而碳和鉻具有易結合的性質,在高溫加熱時,碳化鉻(Cr23C6)在結晶粒界上析出,使這個碳化鉻的周圍變成“貧鉻”狀態。根據環境情況,在“貧鉻”的部位,有選擇性地被腐蝕,稱為晶間腐蝕,如圖3-5所示。

焊接時,在熱影響區引起(qi)碳化(hua)(hua)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)在結晶(jing)粒界上析(xi)出,稱為敏化(hua)(hua)。碳化(hua)(hua)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)析(xi)出后,在其近旁(pang)(pang)的結晶(jing)粒界上的鉻(ge)(ge)(ge)(ge)含(han)量“被(bei)減少”,在碳化(hua)(hua)物近旁(pang)(pang)其含(han)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)量有可能“貧(pin)”到臨界含(han)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)量以(yi)下。由(you)于結晶(jing)粒內部(bu)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的擴散(san),使(shi)“貧(pin)鉻(ge)(ge)(ge)(ge)”部(bu)位得到鉻(ge)(ge)(ge)(ge)的補(bu)充。只是(shi)在碳化(hua)(hua)物近旁(pang)(pang),因鉻(ge)(ge)(ge)(ge)含(han)量減少到不能保持耐腐蝕性,就會發生(sheng)晶(jing)間(jian)腐蝕。
敏化可用加熱溫度和加熱時間的關系(TTS曲線)來表示。奧氏體型不銹鋼的代表鋼種06Cr19Ni10(304)的敏化情況如圖3-6所示。敏化的溫度區域在550~800℃,在這個溫度區間加熱時間過長或從高溫緩慢地冷下來也會發生敏化。

鐵素體(ti)(ti)型的不銹鋼管(guan)和奧(ao)氏體(ti)(ti)系列不銹鋼管(guan)不同的是,從(cong)850℃以上開始(shi)冷卻時(shi),容(rong)易(yi)造成晶(jing)間腐(fu)蝕(shi)。這是因為(wei)碳(tan)化(hua)鉻(ge)及氮化(hua)物析(xi)出(chu)(chu)非常迅速的緣故。鐵素體(ti)(ti)中,鉻(ge)的擴(kuo)散比奧(ao)氏體(ti)(ti)中鉻(ge)的擴(kuo)散要快。所以如(ru)果在碳(tan)化(hua)鉻(ge)析(xi)出(chu)(chu)溫(wen)度區域上短時(shi)間加熱,或者是從(cong)高溫(wen)緩慢地冷卻下來,在“貧鉻(ge)”部位上,鉻(ge)能很快得(de)到補充,使用時(shi)就不會(hui)產生結(jie)晶(jing)粒(li)界腐(fu)蝕(shi)。為(wei)了防止結(jie)晶(jing)粒(li)界腐(fu)蝕(shi),通常采(cai)取下述三(san)項措施。
①. 固溶化熱(re)處理時急劇(ju)冷卻,以抑制碳化鉻的析出(chu)。
②. 降低碳含量(選取鋼種的0.030%)。[C]≤0.030%
③. 添(tian)加鈦(Ti)或鈮(ni)(Nb):鈦或鈮(ni)和碳(tan)(tan)的結合力,比鉻和碳(tan)(tan)的結合力強,易在(zai)顆粒內部均勻析出(chu)碳(tan)(tan)化(hua)鈦或碳(tan)(tan)化(hua)鈮(ni),由此抑(yi)制碳(tan)(tan)化(hua)鉻在(zai)晶界(jie)下(xia)的析出(chu)。

