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、鉻錳氮等奧氏體香蕉視頻app下載蘋果版: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(yong)高溫(wen)1050~1100℃固(gu)溶處理,將鉻(ge)的(de)碳化物全部溶解在奧(ao)氏體(ti)中,然后水淬,將奧(ao)氏體(ti)固(gu)定下來。但(dan)這通常只(zhi)適用(yong)于不再焊(han)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。
鐵素(su)體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)有時(shi)(shi)也(ye)可產生(sheng)晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕,但避免這種腐(fu)蝕的(de)熱(re)處理(li)工(gong)藝恰好與奧(ao)氏體(ti)鋼(gang)(gang)(gang)相反。研究指(zhi)出(chu)(chu),鐵素(su)體(ti)不(bu)銹(xiu)鋼(gang)(gang)(gang)自(zi)900℃以(yi)上急速水冷(leng)后,很容易遭受(shou)(shou)晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕;這種易受(shou)(shou)晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕的(de)狀態(tai)(敏化態(tai))經(jing)過650~850℃加(jia)熱(re)后,便(bian)可消(xiao)(xiao)除(chu)。但奧(ao)氏體(ti)鋼(gang)(gang)(gang)和鐵素(su)體(ti)鋼(gang)(gang)(gang)發生(sheng)晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕以(yi)及(ji)(ji)消(xiao)(xiao)除(chu)晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕的(de)處理(li)如此不(bu)同,是(shi)由于C及(ji)(ji)N在(zai)(zai)α中的(de)固(gu)溶(rong)度(du)(du)遠小(xiao)于在(zai)(zai)γ中的(de)固(gu)溶(rong)度(du)(du),加(jia)上C及(ji)(ji)N在(zai)(zai)α晶(jing)界吸附趨勢大,易在(zai)(zai)α晶(jing)界析出(chu)(chu)碳化鉻(ge),因而(er)形成貧鉻(ge)區(qu)引起晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕。碳化鉻(ge)在(zai)(zai)α晶(jing)界的(de)析出(chu)(chu),用一般的(de)水冷(leng)無法抑制(zhi),這是(shi)一方(fang)面(mian);另一方(fang)面(mian),由于Cr在(zai)(zai)α中的(de)擴散(san)較(jiao)在(zai)(zai)γ中擴散(san)來得快,因而(er)在(zai)(zai)650~850℃短時(shi)(shi)加(jia)熱(re)即可消(xiao)(xiao)除(chu)貧鉻(ge)區(qu),從而(er)消(xiao)(xiao)除(chu)了(le)晶(jing)間(jian)(jian)腐(fu)蝕。
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。
焊接時(shi),在(zai)熱影(ying)響(xiang)區引(yin)起碳(tan)化(hua)(hua)鉻(ge)(ge)在(zai)結晶粒(li)界上析(xi)出,稱為敏化(hua)(hua)。碳(tan)化(hua)(hua)鉻(ge)(ge)析(xi)出后,在(zai)其近(jin)旁(pang)(pang)的結晶粒(li)界上的鉻(ge)(ge)含量“被減少(shao)”,在(zai)碳(tan)化(hua)(hua)物近(jin)旁(pang)(pang)其含鉻(ge)(ge)量有可(ke)能“貧(pin)”到(dao)臨界含鉻(ge)(ge)量以下(xia)。由于(yu)結晶粒(li)內部(bu)鉻(ge)(ge)的擴散,使“貧(pin)鉻(ge)(ge)”部(bu)位得(de)到(dao)鉻(ge)(ge)的補充(chong)。只是(shi)在(zai)碳(tan)化(hua)(hua)物近(jin)旁(pang)(pang),因鉻(ge)(ge)含量減少(shao)到(dao)不能保持耐腐(fu)蝕(shi)性,就會發生晶間(jian)腐(fu)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(ti)型的(de)不銹鋼管和(he)奧氏體(ti)系列不銹鋼管不同的(de)是,從(cong)850℃以上開始冷(leng)卻時(shi)(shi),容(rong)易(yi)造成晶(jing)間腐蝕。這是因為碳化(hua)鉻及(ji)氮化(hua)物析出(chu)非常迅速的(de)緣故。鐵素體(ti)中(zhong),鉻的(de)擴(kuo)散比奧氏體(ti)中(zhong)鉻的(de)擴(kuo)散要快。所以如果在(zai)碳化(hua)鉻析出(chu)溫(wen)度(du)區(qu)域(yu)上短時(shi)(shi)間加熱,或(huo)者是從(cong)高溫(wen)緩慢地冷(leng)卻下來,在(zai)“貧鉻”部位上,鉻能很快得到補充,使(shi)用時(shi)(shi)就(jiu)不會(hui)產生結(jie)晶(jing)粒界腐蝕。為了(le)防止結(jie)晶(jing)粒界腐蝕,通常采(cai)取下述三(san)項措施(shi)。
①. 固溶化(hua)熱(re)處(chu)理時急(ji)劇冷卻(que),以抑制碳(tan)化(hua)鉻的析出。
②. 降低碳含量(選取(qu)鋼(gang)種的0.030%)。[C]≤0.030%
③. 添加鈦(Ti)或(huo)鈮(Nb):鈦或(huo)鈮和(he)(he)碳(tan)的(de)結合力,比鉻(ge)和(he)(he)碳(tan)的(de)結合力強,易在顆(ke)粒內部均勻析(xi)出(chu)(chu)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)鈦或(huo)碳(tan)化(hua)(hua)(hua)鈮,由此抑制碳(tan)化(hua)(hua)(hua)鉻(ge)在晶界下的(de)析(xi)出(chu)(chu)。