李嘉和 李文娟

摘要：奧氏體不銹鋼若在焊接等熱加工時(shí)處理不當(dāng)，容易在焊縫、熔合線及熱影響區(qū)出現(xiàn)危險(xiǎn)性大的晶間腐蝕使不銹鋼幾乎喪失強(qiáng)度。本文對(duì)奧氏體不銹鋼焊接時(shí)產(chǎn)生晶間腐蝕的原因機(jī)理進(jìn)行了分析，并對(duì)奧氏體不銹鋼避免晶間腐蝕或改善晶間腐蝕的方法進(jìn)行介紹，為奧氏體不銹鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，冷熱加工，使用管理和維護(hù)保養(yǎng)等提供指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼;熱加工;晶間腐蝕

1.引言

奧氏體不銹鋼在焊接等熱加工過程中如未采取良好的控制措施，其受熱部位在之后可能出現(xiàn)三種腐蝕現(xiàn)象：晶間腐蝕，應(yīng)力腐蝕，整體腐蝕。通常認(rèn)為腐蝕為多種類型同時(shí)存在及轉(zhuǎn)變，本文主要就晶間腐蝕進(jìn)行描述，晶間腐蝕可在焊縫，熔合線及熱影響區(qū)出現(xiàn)。晶間腐蝕發(fā)生在晶粒邊界，向金屬內(nèi)部深入形成脆弱的結(jié)合面（見圖1），使金屬幾乎喪失強(qiáng)度，在低應(yīng)力條件下即可快速失效。在晶間腐蝕導(dǎo)致金屬失效的過程中，金屬的表面仍保持原有外觀形貌而不易被察覺。由此，晶間腐蝕被認(rèn)為是一種危險(xiǎn)性大的破壞形式。

2.晶間腐蝕產(chǎn)生的原理

晶間腐蝕產(chǎn)生的原理現(xiàn)有公認(rèn)的貧鉻理論可以進(jìn)行解釋：不銹鋼在高溫狀態(tài)下，晶粒邊界析出碳化鉻、氮化鉻、西格瑪相和鉻的化合物。這些高于不銹鋼平均鉻含量的高鉻相導(dǎo)致晶粒外緣臨接區(qū)域的鉻含量下降，稱為貧鉻區(qū)。碳化鉻析出導(dǎo)致的區(qū)域貧鉻不會(huì)導(dǎo)致加速腐蝕，同時(shí)取決于腐蝕介質(zhì)類型。在之后當(dāng)接觸到具有導(dǎo)致不銹鋼晶間腐蝕能力的介質(zhì)時(shí)，晶界與晶粒內(nèi)化學(xué)成分的差異，在適宜的介質(zhì)中形成腐蝕的電池，晶界為陽(yáng)極，晶粒為陰極（見圖2），晶界產(chǎn)生選擇性溶解，貧鉻區(qū)溶解速度遠(yuǎn)大于晶粒本身，導(dǎo)致向金屬內(nèi)部深入形成脆弱的結(jié)合面，使金屬喪失強(qiáng)度。不銹鋼貧鉻區(qū)是不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的重要原因之一。

3.避免晶間腐蝕或改善晶間腐蝕的方法

3.1控制碳含量

將奧氏體不銹鋼中碳的含量降低，則相應(yīng)的減少了碳化鉻形成，也就降低了晶間貧鉻產(chǎn)生的程度。其中碳的來源分為內(nèi)部和外部。內(nèi)部的碳來源可以通過材料的成分進(jìn)行控制，如：選用超低碳的不銹鋼母材和焊材，從根本上減少碳化鉻的形成。外部的碳來源可以通過避免或清除的方式進(jìn)行控制，如避免接觸含碳物質(zhì)或者對(duì)接觸過碳的不銹鋼使用專用磨具進(jìn)行表層清除。

3.2控制金屬冷卻速度

450℃至850℃之間的溫度被稱之為不銹鋼的敏化溫度，這是由于溫度低于450℃時(shí)貧鉻不發(fā)生。溫度超過850℃時(shí)，晶粒內(nèi)的鉻擴(kuò)散能力增強(qiáng)，有足夠的鉻擴(kuò)散至晶界和碳化合避免貧鉻。當(dāng)金屬在敏化區(qū)停留時(shí)間短，則碳原子向不銹鋼晶間的擴(kuò)散量相應(yīng)降低。同時(shí)由于奧氏體不銹鋼在急冷時(shí)不會(huì)向馬氏體進(jìn)行轉(zhuǎn)變，即沒有淬硬性。所以可以使用一些高速率的降溫方式，如：在焊接過程中使用小的熱輸入、使用銅墊塊或者水加速冷卻等。

3.3添加穩(wěn)定元素及穩(wěn)定熱處理

當(dāng)金屬中存在比鉻更易于與碳結(jié)合的元素，如：鈦、鈮和鉭等，這些元素優(yōu)先與碳形成穩(wěn)定碳化物，則對(duì)不銹鋼晶間的貧鉻現(xiàn)象進(jìn)行改善。但穩(wěn)定元素在特定條件下仍可能無法完全避免貧鉻區(qū)域的形成。以鈦為例，當(dāng)溫度繼續(xù)升高時(shí)，碳化鈦也會(huì)進(jìn)行溶解，從而導(dǎo)致鈦對(duì)碳的穩(wěn)定作用降低甚至消失。在隨后的冷卻過程中，碳原子由于相較于鈦原子體積更小，所以碳原子的擴(kuò)散速度高于鈦，仍會(huì)有部分與鉻結(jié)合產(chǎn)生區(qū)域貧鉻，發(fā)生在熱影響區(qū)的此類現(xiàn)象被稱作刀蝕，刀蝕可以通過將焊接接頭溫度再次加熱到約870℃來進(jìn)行消除。在此溫度下，鈦、鈮和鉭優(yōu)先于鉻形成碳化物，此工藝被稱作穩(wěn)定熱處理，穩(wěn)定熱處理僅針對(duì)含有穩(wěn)定元素的不銹鋼類型（由于鉭和鈷可以被激發(fā)具備放射性，在核工業(yè)中此類元素被限制使用）。

3.4添加鐵素體

通過改變填充金屬的成分，使焊縫成為奧氏體-鐵素體的雙向組織，以提高耐晶間腐蝕的能力。雙組織中奧氏體的高碳濃度和鐵素體中的高鉻濃度有相互擴(kuò)散的趨勢(shì)，都向兩相交界處進(jìn)行擴(kuò)散。其中奧氏體中的碳擴(kuò)散速度較快，在兩相邊界行成碳化鉻。同時(shí)鐵素體中的鉻擴(kuò)散速度大于鉻在奧氏體中的擴(kuò)散速度。則一旦晶界出現(xiàn)貧鉻時(shí)，鐵素體中的鉻能夠及時(shí)的進(jìn)行補(bǔ)充，使得奧氏體晶界出現(xiàn)的貧鉻降低，分布不連續(xù)，且打亂單一的奧氏體柱狀晶方向，從而改善奧氏體晶粒間的腐蝕集中。但應(yīng)注意鐵素體含量過高反而會(huì)由于西格瑪相而降低耐晶間腐蝕能力。奧氏體不銹鋼焊材中的鐵素體含量具體選值應(yīng)基于裂紋敏感性，抗腐蝕性能，機(jī)械性能，所接觸介質(zhì)等多方面因素考慮。如：服役于碳酰胺工況，高溫等特殊工況時(shí)應(yīng)控制鐵素體含量在較低水平，對(duì)于磁性的要求，對(duì)于低溫性能的要求等。

3.5合理安排焊接順序

應(yīng)充分考慮后續(xù)焊層對(duì)前續(xù)焊層的升溫作用。條件允許的情況下，將與介質(zhì)接觸的表面安排最后進(jìn)行焊接;條件受限的情況下，對(duì)焊接工藝進(jìn)行調(diào)整，減免后續(xù)焊層對(duì)前續(xù)焊層的敏化影響。

3.6固溶熱處理

將焊接完成的奧氏體不銹鋼加熱至1050℃-1100℃之間，在此溫度時(shí)碳重新熔入奧氏體之中，經(jīng)過適當(dāng)?shù)谋貢r(shí)間，然后使其快速冷卻通過敏化溫度區(qū)域使基體中析出的組份來不及析出，以過飽和固溶于基體之中并形成穩(wěn)定的奧氏體組織。此方法可以避免晶間貧鉻但并未減少碳元素的總量，所以如果構(gòu)件將來服役于相當(dāng)于敏化溫度區(qū)的環(huán)境時(shí)，貧鉻區(qū)將可能會(huì)在碳的熔入?yún)^(qū)域形成。

3.7均勻化熱處理

將焊接完成的奧氏體不銹鋼加熱至850℃-900℃之間進(jìn)行數(shù)小時(shí)的保溫，使奧氏體晶粒內(nèi)部的鉻有充分時(shí)間向晶間進(jìn)行擴(kuò)散，對(duì)晶界的原貧鉻區(qū)進(jìn)行補(bǔ)充鉻，恢復(fù)此區(qū)域的耐腐蝕性能。

4.結(jié)論

奧氏體不銹鋼晶間腐蝕作為一種在外觀上不易發(fā)現(xiàn)且會(huì)造成突然失效的嚴(yán)重腐蝕，其形成的機(jī)理與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，材料選用，冷熱加工，使用管理和維護(hù)保養(yǎng)等多方面因素有關(guān)。合理的應(yīng)用考慮可有效的減少此失效的發(fā)生。