奥氏体不锈钢的晶间腐蚀

奥氏体不锈钢的晶间腐蚀

自上世纪二十年代工业界采用奥氏体不锈钢以来，发现这类钢焊接后，温度为450℃～800℃的热影响区在许多介质中产生晶间腐蚀。这些介质主要是热的浓度为50%～65%的硝酸，含铜盐和氧化铁的硫酸溶液、热有机酸等。后来发现这类钢在450℃～800℃工作，或在该温度下进行时效处理（或保温或缓慢冷却）时，也会得到由于焊接加热的同样效果。这种时效处理会导致不锈钢晶间腐蚀的敏感性，所以又称敏化处理。而把容易引起晶间腐蚀的温度区间450℃～800℃称为敏化温度。

近年来的研究证明，这种腐蚀形式不仅在铬钢、铬镍钢中存在，而且在镍、铜、铝基合金中也存在。晶间腐蚀产生的原因是晶界和晶内的化学成分不均匀性。

在不锈钢和镍基合金中，晶间腐蚀的机制可以分为三种基本类型：一是腐蚀与保证材料在该介质中耐蚀的元素沿晶界区贫化有关；二是腐蚀与沿晶界析出物的化学稳定性有关；三是腐蚀由降低基体耐蚀性的表面活性元素沿晶界偏析所引起。

奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要是在敏化温度区间内容易导致沿晶界析出连续网状富铬的（Cr,Fe）23C6。从而使晶界周围基体产生贫铬区，贫铬区的宽度约为10-5cm。在析出（Cr,Fe）23C6时间不太长的时间内，由于铬的扩散速度较慢，贫铬区得不到恢复。贫铬区的产生使得晶界附近的铬含量被降低到n/8量限度以下，因而贫铬区成为微阳极而发生腐蚀。若在敏化温度范围内长期加热，则可通过铬的扩散消除贫铬区，晶间腐蚀倾向可以被消除。

由于钢的耐蚀性和碳化物反应有关，显然，在奥氏体钢中碳的含量和它的热力学活性，决定着钢的晶间腐蚀倾向。对于碳含量，由于Cr18Ni9钢中的奥氏体在600℃以下C的溶解度为0.02%，此时几乎没有（Cr,Fe）23C6析出。实际上当C≤0.03%时即不发生晶间腐蚀。所以解决不锈钢晶间腐蚀倾向的最有效办法是生产超低碳不锈钢，使钢中C≤0.03%，如00Cr18Ni10钢。对于影响C的热力学活性的元素，凡是提高C的活性的元素（如镍、钴、硅）都促进形成晶间腐蚀；凡是降低C的活性的元素（锰、钼、钨、钒、铌、钛）都阻碍形成晶间腐蚀。为此常在奥氏体不锈钢中加入强碳化物形成元素钛或铌，形成稳定的TiC或NbC，固定钢中的C。如1Cr18Ni9Ti、1Cr18Ni11Nb等。

钢中有10%～50%体积的δ铁素体，可以改善奥氏体不锈钢的晶间腐蚀倾向。由于δ铁素体在500℃～800℃间发生相间沉淀，（Cr,Fe）23C6在δ/γ相界δ相一侧析出呈点状，排除了在奥氏体晶界析出（Cr,Fe）23C6，且δ相内铬的扩散系数比γ相内高103倍，不致产生贫铬区。必须指出的是，不仅析出碳化铬会引起晶界的贫铬，析出氮化铬、σ相也会引起晶界的贫铬。

总之，为了防止奥氏体钢的晶间腐蚀倾向，通常可以在钢的成分设计和热处理工艺上采取以下措施：

在钢的成分设计上，一方面降低钢中的碳含量；另一方面在钢中加入稳定的碳化物形成元素（Ti、Nb），析出特殊碳化物，消除晶间贫铬区。为此，钛或铌在钢中的含量分别为：0.8%≥Ti≥5（C%-0.02%），1.0%≥Nb≥10（C%-0.02%）。此外，钢中还需严格限制氮、磷、硅、硼等杂质元素含量。

在热处理工艺上，奥氏体不锈钢通常采用1050℃～1100℃的淬火（固溶处理），以保证固溶体中碳和铬的含量。对于非稳定性钢进行退火，使奥氏体成分均匀化，消除贫铬区；对于稳定性钢，将铬的碳化物转变为钛、铌的特殊碳化物，保证耐蚀所需要的固溶体含铬水平。