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(jing)間腐蝕。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、鉻錳氮等奧氏體亞洲歐美色綜合一區二區在線: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. 采用高溫(wen)1050~1100℃固溶(rong)(rong)處理(li),將(jiang)鉻的(de)碳化物全部溶(rong)(rong)解在奧氏(shi)體中,然后水(shui)淬,將(jiang)奧氏(shi)體固定下來。但(dan)這通常只適用于不(bu)再焊接的(de)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(tie)素體不銹鋼(gang)有時也(ye)可產生晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi),但避(bi)免這(zhe)(zhe)種腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)的(de)(de)熱(re)處(chu)理工藝(yi)恰好與奧氏(shi)體鋼(gang)相反(fan)。研(yan)究指(zhi)出(chu),鐵(tie)素體不銹鋼(gang)自900℃以上(shang)急速水(shui)(shui)冷(leng)后,很(hen)容易遭(zao)受晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi);這(zhe)(zhe)種易受晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)的(de)(de)狀態(tai)(敏化態(tai))經過650~850℃加熱(re)后,便可消除(chu)。但奧氏(shi)體鋼(gang)和(he)鐵(tie)素體鋼(gang)發生晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)以及(ji)消除(chu)晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)的(de)(de)處(chu)理如此不同,是由于C及(ji)N在(zai)(zai)α中(zhong)(zhong)的(de)(de)固溶(rong)度遠小于在(zai)(zai)γ中(zhong)(zhong)的(de)(de)固溶(rong)度,加上(shang)C及(ji)N在(zai)(zai)α晶(jing)界吸附趨勢大,易在(zai)(zai)α晶(jing)界析(xi)(xi)出(chu)碳化鉻(ge),因而形成貧鉻(ge)區引起晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕(shi)(shi)(shi)。碳化鉻(ge)在(zai)(zai)α晶(jing)界的(de)(de)析(xi)(xi)出(chu),用一般的(de)(de)水(shui)(shui)冷(leng)無法(fa)抑制(zhi),這(zhe)(zhe)是一方(fang)(fang)面;另一方(fang)(fang)面,由于Cr在(zai)(zai)α中(zhong)(zhong)的(de)(de)擴散較在(zai)(zai)γ中(zhong)(zhong)擴散來得(de)快,因而在(zai)(zai)650~850℃短時加熱(re)即可消除(chu)貧鉻(ge)區,從而消除(chu)了(le)晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕(shi)(shi)(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(han)接(jie)時(shi),在(zai)(zai)熱影響區引起碳(tan)(tan)化(hua)鉻(ge)在(zai)(zai)結(jie)晶粒界(jie)上(shang)析(xi)出,稱為敏化(hua)。碳(tan)(tan)化(hua)鉻(ge)析(xi)出后,在(zai)(zai)其近(jin)旁(pang)的結(jie)晶粒界(jie)上(shang)的鉻(ge)含量(liang)(liang)“被減少”,在(zai)(zai)碳(tan)(tan)化(hua)物近(jin)旁(pang)其含鉻(ge)量(liang)(liang)有(you)可能“貧”到臨界(jie)含鉻(ge)量(liang)(liang)以(yi)下。由于(yu)結(jie)晶粒內部鉻(ge)的擴(kuo)散(san),使(shi)“貧鉻(ge)”部位得(de)到鉻(ge)的補(bu)充。只(zhi)是在(zai)(zai)碳(tan)(tan)化(hua)物近(jin)旁(pang),因鉻(ge)含量(liang)(liang)減少到不(bu)能保(bao)持耐(nai)腐蝕(shi)性(xing),就會(hui)發生晶間腐蝕(shi)。
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。
鐵素體型的不(bu)銹(xiu)鋼管(guan)和(he)奧(ao)氏體系列不(bu)銹(xiu)鋼管(guan)不(bu)同的是(shi),從(cong)850℃以(yi)上(shang)開始(shi)冷(leng)卻(que)時(shi),容易造(zao)成晶間腐(fu)(fu)蝕(shi)。這是(shi)因為碳(tan)化鉻(ge)及氮化物析出非常迅速的緣故。鐵素體中,鉻(ge)的擴(kuo)散(san)比奧(ao)氏體中鉻(ge)的擴(kuo)散(san)要快。所以(yi)如果在碳(tan)化鉻(ge)析出溫度區域上(shang)短(duan)時(shi)間加熱(re),或者是(shi)從(cong)高溫緩慢地(di)冷(leng)卻(que)下來,在“貧(pin)鉻(ge)”部位(wei)上(shang),鉻(ge)能很(hen)快得到補充(chong),使用時(shi)就不(bu)會產生結(jie)晶粒界腐(fu)(fu)蝕(shi)。為了防止結(jie)晶粒界腐(fu)(fu)蝕(shi),通常采取(qu)下述三項措(cuo)施。
①. 固溶化(hua)熱處理(li)時急劇冷(leng)卻,以抑制碳(tan)化(hua)鉻的(de)析出。
②. 降低(di)碳含量(選取鋼種的(de)0.030%)。[C]≤0.030%
③. 添加(jia)鈦(Ti)或(huo)(huo)鈮(ni)(Nb):鈦或(huo)(huo)鈮(ni)和(he)碳(tan)的(de)(de)結合(he)(he)力,比(bi)鉻(ge)和(he)碳(tan)的(de)(de)結合(he)(he)力強,易在顆粒內部均勻析出碳(tan)化(hua)鈦或(huo)(huo)碳(tan)化(hua)鈮(ni),由此抑(yi)制碳(tan)化(hua)鉻(ge)在晶界下的(de)(de)析出。