奧氏體不銹鋼與晶間腐蝕

1、1 晶間腐蝕晶間腐蝕：局部腐蝕的一種，沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴展的腐蝕。晶界是結(jié)晶學取向不同的晶粒間紊亂錯合的界城，它們是鋼中各種溶質(zhì)元素偏析或金屬化合物（如碳化物和相）沉淀析出的有利區(qū)城。不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質(zhì)量分數(shù)必須大于12%，當溫度升高，特別是在450800時，碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴散速度大于鉻的擴散速度，室溫時，碳在奧氏體中的熔解度很小，約為0.02%0.03%，一般奧氏體不銹鋼中的碳含量均超過此值，故溶解不了多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴散，并和鉻化合，在晶間形成碳和鉻的化合物，如Cr23C6等（見圖1）。而鉻的擴散速度較小，來不及向晶界擴散，所以在晶間所

2、形成的碳化鉻所需的鉻主要不是來自奧氏體晶粒內(nèi)部，而是來自晶界附近，結(jié)果就使晶界附近的含鉻量大為減少，當晶界附近的鉻的質(zhì)量分數(shù)低到小于12%時，就形成相對的“貧鉻區(qū)”，“貧鉻區(qū)”電位下降，而晶粒本身仍維持高電位，晶粒與“貧鉻區(qū)”之間存在著一定的電位差，而在腐蝕介質(zhì)中晶界的溶解速度和晶粒本身的溶解速度是不同的，晶界的溶解速度遠大于晶粒本身的溶解速度，“貧鉻區(qū)”作為陽極與晶粒構(gòu)成大陰極小陽極的微電偶電池，造成“貧鉻區(qū)”的選擇性局部腐蝕，也就是晶間腐蝕。圖1 晶界析出及腐蝕電池示意圖晶間腐蝕發(fā)生后，金屬雖然表面仍保持一定的金屬光澤，也看不出被破壞的跡象，但晶粒間的結(jié)合力已顯著減弱，強度下降，冷彎后表面

3、出現(xiàn)裂縫，零件容易遭到破壞。晶間腐蝕隱蔽性強，突發(fā)性破壞幾率大，因此有嚴重的危害性，尤其在焊接時，焊縫附近的熱影響區(qū)更容易發(fā)生晶間腐蝕。以晶間腐蝕為起源，在應力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，可使不銹鋼由晶間腐蝕轉(zhuǎn)變?yōu)閼Ωg開裂。2 合金元素的作用0Cr18Ni9與1Cr18Ni9Ti、00Cr18Ni10N、00Cr19Ni10的化學成分比較見表1（參考標準GB 4239-1991 不銹鋼和耐熱鋼冷軋鋼帶）。表1 常見奧氏體不銹鋼化學成分含量%元素CMnSiPSCrNiN國內(nèi)牌號美國牌號0Cr18Ni9304-0.07-2.00-1.00-0.035-0.03017.00-19.008.00-10

4、.00-1Cr18Ni9Ti無-0.12-2.00-1.00-0.035-0.03017.00-19.008.00-11.00Ti：5（C%-0.02%）-0.8000Cr18Ni10N304LN-0.03-2.00-1.00-0.035-0.03017.00-19.008.50-11.500.12-0.2200Cr19Ni10304L-0.03-2.00-1.00-0.035-0.03018.00-20.008.00-12.00-00Cr17Ni14Mo2316L-0.03-2.00-1.00-0.035-0.03016.00-18.0012.00-15.00Mo：2.00-3.0000Cr

5、17Ni13Mo2N316LN-0.03-2.00-1.00-0.035-0.03016.50-18.5010.50-14.500.12-0.22； Mo：2.00-3.00鉻是決定不銹鋼耐腐蝕性能的最基本元素，使其有耐腐蝕性能。在氧化性介質(zhì)中，鉻能使鋼的表面很快形成一層實際為腐蝕介質(zhì)不能透過和不溶解的富鉻的氧化膜，這層氧化膜很致密，并與金屬基本結(jié)合得很牢固，保護鋼免受外界介質(zhì)進一步氧化浸蝕（鈍化的機理）；鉻還能有效地提高鋼的電極電位，當含鉻量不低于12%原子時，可使鋼的電極電位發(fā)生突變，由負電位升到正的電極電位，可顯著提高鋼的耐蝕性。鎳與鉻配合可以提高鋼對非氧化性介質(zhì)（如：稀硫酸、鹽酸、磷酸

6、等）的耐蝕性，并能改善鋼的焊接和冷彎等工藝性能。氮在不銹鋼中有和鎳相似的作用。碳一方面可以淬火強化，從而在機械性能方面可大大提高它的強度；另一方面由于碳和鉻的親和力很大，隨著鋼中含碳量的增加，則與碳形成碳化物的鉻越多，從而顯著降低鋼的耐蝕性，特別是熱到450800時容易晶間腐蝕。鈦和鈮可防止不銹鋼的晶間腐蝕，鋼中加入鈦或鈮，就能使鋼中的碳首先與鈦或鈮形成碳化物，而不與鉻形成碳化物，從而保證晶界附近不致因貧鉻而產(chǎn)生晶間腐蝕，提高不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，并改善鋼的焊接性能，鈦或鈮的加入量要根據(jù)含碳量而定，一般為鈦的加入量為含碳量的5倍，鈮為碳的8倍。3 解決措施經(jīng)以上分析可知，幾乎所有奧氏體不銹鋼

7、（非超低碳不銹鋼）都有晶間腐蝕傾向，若要避免不銹鋼晶間腐蝕可以從以下幾個方面著手：1) 加入與碳親和力比鉻還要強的元素鈦和鈮，鈦和鈮常用來固定鋼中的碳，提高不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，但是由于鈦和鈮都是稀有金屬，實際不銹鋼中鈦和鈮的含量都不高，如0Cr19Ni10NbN、1Cr18Ni9Ti、0Cr18Ni10Ti、0Cr18Ni11Nb等即使均含有鈦和鈮，但從實際工藝應用中發(fā)現(xiàn)，依然有晶間腐蝕，特別是國產(chǎn)材料晶間腐蝕較嚴重，這也是GB 4239-1991、GB 1220-1992等國家標準中特別注明不推薦使用1Cr18Ni9Ti的原因，而在最新的GB/T 3280-2007、GB/T 4237-

8、2007、GB/T 1220-2007等國家標準中均取消了1Cr18Ni9Ti這一奧氏體不銹鋼牌號；2) 降低碳的含量，選用超低碳的不銹鋼，如00Cr18Ni10N、00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr17Ni13Mo2N等，從根本上減弱形成碳鉻化合物的機會，從而消除晶間腐蝕。 奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理后，其力學性能比較如表2（參考標準GB 4239-1991 不銹鋼和耐熱鋼冷軋鋼帶）所示，可見其強度和塑性非常接近，而所有的奧氏體不銹鋼均不能熱處理強化，只能通過冷作硬化以提高強度、硬度，在產(chǎn)品性能允許的情況下選用適當?shù)牟牧?，同時避免在晶間腐蝕的敏感溫度區(qū)間的停留時間，這是避免晶間腐蝕最有效的辦法。表2 常見奧氏體不銹鋼力學性能國內(nèi)牌號美國牌號抗拉強度bMPa不小于延伸率5%不小于硬度HV不大于0Cr18Ni9304520402001Cr18Ni9Ti無5404020000Cr18Ni10N304LN5504022000Cr19Ni10304L4804020000Cr17Ni14Mo2316L4804020000Cr17Ni13Mo2N316LN55040220對于Cr18-Ni