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1、奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕及其試驗(yàn)方法ErosionBetweenCrystalLatticeofAusteniticStainlessSteelandtestmethods摘要:奧氏體不銹鋼焊縫由于晶間腐蝕的發(fā)生,導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生早期失效,結(jié)果既影響了正常使用和安全性。因此探究奧氏體不銹鋼晶間腐蝕地產(chǎn)生機(jī)理,并按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn),從而進(jìn)一步提高耐蝕性的工藝措施,以期延長(zhǎng)材料的使用壽命擴(kuò)大材料的應(yīng)用范圍。關(guān)鍵詞:晶間腐蝕;合金元素的作用;解決措施;草酸侵蝕試驗(yàn)方法。Abstract:Intergranularattackofausteniticstainlesssteelweldduetooccu
2、rrence,causesthestructurefailure,theresultsnotonlyaffectsthenormaluseandsafety.Thereforeresearchofintergranularattackofausteniticstainlesssteeltoproducemechanism,andinaccordancewiththestandardforintergranularattacktest,soastofurtherimprovethecorrosionresistanceoftheprocessmeasures,andprolongtheservi
3、celifeofmaterialstoexpandtheapplicationofmaterials.Keywords:Intergranulararrosion;effectofalloyingelements;preventivemeasures;OxalicAcidEtchTest一、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(kuò)展的腐蝕。不銹鋼具有耐腐蝕能力的必要條件是鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)必須大于12%,當(dāng)溫度升高,特別是在450C800C時(shí),碳在不銹鋼晶粒內(nèi)部的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度,室溫時(shí),碳在奧氏體中的熔解度很小,約為0.02%0.03%,般奧氏體不銹鋼中的碳含量均超
4、過(guò)此值,故溶解不了多余的碳就不斷地向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)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(kuò)散速度較小,來(lái)不及向晶界擴(kuò)散,所以在晶間所形成的碳化鉻所需的鉻主要不是來(lái)自?shī)W氏體晶粒內(nèi)部,而是來(lái)自晶界附近,結(jié)果就使晶界附近的含鉻量大為減少,當(dāng)晶界附近的鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低到小于12%時(shí),就形成相對(duì)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(yuǎn)大于晶粒本身的溶解速度,“貧鉻區(qū)”作為陽(yáng)極與晶粒構(gòu)成大陰極小陽(yáng)極的微電偶電池,造成“貧鉻區(qū)”的選擇性局部
5、腐蝕,也就是晶間腐蝕。晶界勢(shì)鋸區(qū)鄧日極)晶粒(陰極)圖1晶界析出及腐蝕電極示意圖晶間腐蝕發(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(qiáng)度下降,冷彎后表面出現(xiàn)裂縫,零件容易遭到破壞。晶間腐蝕隱蔽性強(qiáng),突發(fā)性破壞幾率大,因此有嚴(yán)重的危害性,尤其在焊接時(shí),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(yīng)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?yīng)力腐蝕開裂。二、合金元素的作用0Crl8Ni9與lCrl8Ni9Ti、OOCrl8NilON、00Crl9Nil0的化學(xué)成分比較見表1(參考標(biāo)準(zhǔn)GB4239-l99l不銹鋼和耐熱鋼冷軋鋼帶
6、)。表1常見奧氏體不銹鋼化學(xué)成分含量元糸CMnSiPSCrNiN國(guó)內(nèi)牌號(hào)美國(guó)牌號(hào)號(hào)0Crl8Ni9304-0.07-2.00-l.00-0.035-0.030l7.00-19.008.00-10.00-lCrl8Ni9Ti無(wú)-0.l2-2.00-l.00-0.035-0.03017.00-19.008.00-11.00Ti:5(C%-0.02%)-0.8000Crl8Nil0N304LN-0.03-2.00-l.00-0.035-0.03017.008.500.12-0.22-l9.00-ll.5000Crl9Nil0304L-0.03-2.00-l.00-0.035-0.030l8.00-2
7、0.008.00-l2.00-00Crl7Nil4Mo23l6L-0.03-2.00-l.00-0.035-0.030l6.00-l8.00l2.00-l5.00Mo:2.00-3.0000Crl7Nil3Mo2N3l6LN-0.03-2.00-l.00-0.035-0.030l6.50-l8.50l0.50-l4.500.l2-0.22;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(shí)際為腐蝕介質(zhì)不能透過(guò)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(hù)鋼免受外界介質(zhì)進(jìn)一步氧化浸蝕(鈍化的機(jī)理)
8、;鉻還能有效地提高鋼的電極電位,當(dāng)含鉻量不低于12%原子時(shí),可使鋼的電極電位發(fā)生突變,由負(fù)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(duì)非氧化性介質(zhì)(如:稀硫酸、鹽酸、磷酸等)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(qiáng)化,從而在機(jī)械性能方面可大大提高它的強(qiáng)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450C800C時(shí)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
9、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。三、解決措施經(jīng)以上分析可知,幾乎所有奧氏體不銹鋼(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(gè)方面著手:1)加入與碳親和力比鉻還要強(qiáng)的元素鈦和鈮,鈦和鈮常用來(lái)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(shí)際不銹鋼中鈦和鈮的含量都不高,如0Crl9Nil0NbN、lCrl8Ni9Ti、OCrl8NilOTi、0Crl8NillNb等即使均含有鈦和鈮,但從實(shí)際工藝應(yīng)用中發(fā)現(xiàn),依然有晶間腐蝕,特別是國(guó)產(chǎn)
10、材料晶間腐蝕較嚴(yán)重,這也是GB4239-1991、GB1220-1992等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中特別注明不推薦使用lCrl8Ni9Ti的原因,而在最新的GB/T3280-2007、GB/T4237-2007、GB/T1220-2007等國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中均取消了1Cr18Ni9Ti這一奧氏體不銹鋼牌號(hào);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(jī)會(huì),從而消除晶間腐蝕。3)控制加熱溫度和加熱時(shí)間加熱溫度和加熱時(shí)間對(duì)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的影響,如圖2所示。當(dāng)加熱溫度小于450C或大于85
11、0oC時(shí),不會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。因?yàn)闇囟刃∮?50C時(shí),由于溫度較低,不會(huì)形成碳化鉻。當(dāng)溫度超過(guò)850C時(shí),晶粒內(nèi)的鉻擴(kuò)散能力增強(qiáng),有足夠的鉻擴(kuò)散至晶界和碳化合,不會(huì)在晶界形成“貧鉻區(qū)”所以產(chǎn)生晶問(wèn)腐蝕的加熱溫度是在450850oC,這個(gè)溫度區(qū)間就稱為產(chǎn)生晶間腐蝕的“危險(xiǎn)溫度區(qū)”(又稱“敏化溫度區(qū)”),其中尤以650oC最危險(xiǎn)。焊接時(shí)焊縫兩側(cè)處于“危險(xiǎn)溫度區(qū)”的地帶最易發(fā)生晶問(wèn)腐蝕。即使是焊縫由于在冷卻過(guò)程中其溫度也要穿過(guò)“危險(xiǎn)溫度區(qū)”所以也會(huì)產(chǎn)生晶間腐蝕。4)進(jìn)行固溶處理,焊后,將奧氏體不銹鋼的焊接接頭重新加熱至10501100C,此時(shí)碳又重新溶人奧氏體中,然后急速冷卻,便可得到穩(wěn)定的奧氏體組織
12、,消除貧鉻區(qū)。這種方法叫固溶處理。固溶處理的缺點(diǎn)是,如果焊接接頭需要在危險(xiǎn)的溫度區(qū)工作,則仍不可避免地會(huì)形成貧鉻區(qū)。5)進(jìn)行均勻化處理,焊后,將奧氏體不銹鋼的焊接接頭重新加熱至850900oC,保溫2h,使奧氏體晶粒內(nèi)部的鉻有充分時(shí)間擴(kuò)散到晶界,使晶界處的含鉻量又恢復(fù)到大于12%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),貧鉻區(qū)得以消失,這叫均勻化處理。6)采用雙相組織,在焊縫中加入鐵素體形成元素,如鉻、硅、鋁、鉬等,以使焊縫形成奧氏體加鐵素體的雙相組織,會(huì)大大提高抗晶間腐蝕的能力。其次鋼中的合金元素是形成雙相組織的主要因素。四、不銹鋼的晶間腐蝕試驗(yàn)方法(以下重點(diǎn)介紹:不銹鋼10%草酸浸蝕試驗(yàn)方法)表2我國(guó)不銹鋼晶間腐蝕標(biāo)
13、準(zhǔn)試驗(yàn)方法國(guó)標(biāo)代號(hào)名稱GB/T4334.1-2000GB/T4334.2-2000GB/T4334.3-2000GB/T4334.4-2000GB/T4334.5-2000不銹鋼10%草酸浸蝕試驗(yàn)方法不銹鋼硫酸-硫酸鐵腐蝕試驗(yàn)方法不銹鋼65%硝酸腐蝕試驗(yàn)方法不銹鋼硝酸-氫氟酸腐蝕試驗(yàn)方法不銹鋼硫酸-硫酸銅腐蝕試驗(yàn)方法1.不銹鋼晶間腐蝕草酸電解法本方法適用于檢驗(yàn)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的篩選試驗(yàn)。試樣在10%草酸溶液中電解浸蝕后,在顯微鏡下觀察被浸蝕表面的金相組織以判定是否需要進(jìn)行硫酸硫酸鐵、65%硝酸、硝酸-氫氟酸以及硫酸-硫酸銅等長(zhǎng)時(shí)間熱酸試驗(yàn)。2儀器2.1直流電源供給能力約15V和20A的電池
14、、發(fā)電機(jī)或整流器。2.2電流表030A范圍2.3可變電阻器2.4陰極不銹鋼圓柱筒件,或最好用1qt(夸脫)(0.946L)的不銹鋼燒杯。2.5大夾子用于夾持被侵蝕的試件。2.6冶金顯微鏡在250500倍數(shù)檢查侵蝕顯微結(jié)構(gòu)。2.7侵蝕電解槽電極被侵蝕試件構(gòu)成陽(yáng)極,不銹鋼燒杯或與被侵蝕試件那樣大的不銹鋼筒構(gòu)成陰極。2.8電解液乙二酸,試劑級(jí),10%溶液,使用的電解浸蝕裝置見圖3.1-不銹鋼杯或不銹鋼片;2-試樣;3-直流電源;4-變阻器;5-電流表;6-開關(guān)試驗(yàn)時(shí)試樣為陽(yáng)極。浸蝕電流密度為1A/cm2。浸蝕時(shí)間為90秒。浸蝕溶液溫度為2Oo5OoC。浸蝕組織分七類,篩選試驗(yàn)與其他試驗(yàn)方法的關(guān)系見圖4圖4一類臺(tái)階狀結(jié)構(gòu)(500X)圖5二類雙重結(jié)構(gòu)
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