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一、不銹鋼晶間腐蝕機(jī)理

   在一定的溫度(450～850℃)范圍內(nèi)奧氏體內(nèi)的過飽和碳會與固溶體的鉻結(jié)合形成Gr23C6碳化物在晶粒間界沉淀析出,由于碳向晶粒間界的擴(kuò)散速度大于鉻的擴(kuò)散速度,因此,在碳化物周圍的固溶體內(nèi)即在晶粒間界及其鄰近的區(qū)域的鉻由于Gr23C6碳化物析出,含量大大降低,而晶內(nèi)的鉻又來不及向晶界擴(kuò)散,因而形成貧鉻區(qū)。當(dāng)鉻的含量低于鈍化所需的鉻含量(大約12%),鈍態(tài)受到破壞電位下降,而晶內(nèi)仍保持鈍態(tài),從而構(gòu)成了大陰極(基體)和小陽極(晶界區(qū)的貧鉻區(qū))的微電偶電池,加速了晶粒間界的腐蝕。碳化物沉淀(Gr23C6)析出的溫度為450～850℃,這是不銹鋼晶間腐蝕的敏化溫度范圍，也稱其為危險(xiǎn)溫度范圍。

二、不銹鋼晶間腐蝕原因分析

1. 碳化鉻沉淀引起的晶間腐蝕

   不銹鋼中碳與鉻形成復(fù)雜的不穩(wěn)定的間隙碳化物Cr23C6,分子呈正交晶格結(jié)構(gòu),此種碳化物與鐵的親和力較強(qiáng),在高溫時(shí),形成的(Cr、Fe)23C6溶于具有體心立方晶格的相中,溫度愈高,則碳化物溶解的愈多。這種狀態(tài)以急速冷卻方法保存在室溫時(shí),形成過飽和固溶體,但在緩慢冷卻過程中,碳化物為了保持平衡,會從固溶體中析出。過飽和固溶體不是穩(wěn)定的,在敏化處理溫度[4](450～850℃)再加熱時(shí),碳化物沿晶粒間界優(yōu)先析出,奧氏體不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕趨勢。當(dāng)溫度高于730℃時(shí),晶間的碳化鉻是孤立的顆粒,晶間腐蝕趨勢小;低于650℃時(shí),晶間的碳化鉻在晶界面上形成連續(xù)的片狀,晶間腐蝕趨勢增大。

2. 相沉淀引起的晶間腐蝕

   超低碳不銹鋼晶間腐蝕,是由于σ相(FeCr的金屬間化合物)在晶界的析出,引起晶界區(qū)域貧鉻,導(dǎo)致產(chǎn)生晶間腐蝕。由于σ相比γ相耐腐蝕,在強(qiáng)氧化-還原電位下,σ相產(chǎn)生選擇性的晶間腐蝕。

3. MC沉淀引起的晶間腐蝕

   不銹鋼中含有一定量的M元素,在500～900℃范圍內(nèi)加熱,同時(shí)在氧化介質(zhì)中工作,融合線區(qū)會出現(xiàn)沿晶界的腐蝕。在熔化焊接時(shí),這個(gè)部位要加熱到固相線附近的高溫,不僅M23C6完全溶解,第2次加熱時(shí),TiC、NbC也全部溶解,這些碳化物都會沉淀,并且都沿晶界進(jìn)行。在緩慢冷卻過程中,溶解后的M23C6以樹枝狀形態(tài)的MC沉淀,在氧化介質(zhì)中,MC可以被溶解而導(dǎo)致刀線腐蝕。

4. 吸附沉淀引起的晶間腐蝕

   不銹鋼中含有少量的雜質(zhì)磷,磷在晶界面產(chǎn)生吸附,與晶界交互作用,晶界處部分球狀碳化物受侵蝕。在900～1000℃,晶界有少量的球狀碳化物受侵蝕,溫度越高,吸附越小,在鋼的熔點(diǎn)(1458～1470℃)吸附消失。因此在亞溫相P到熔點(diǎn)才完全溶解。

三、不銹鋼晶間腐蝕的影響因素

1. 化學(xué)成分的影響

  碳元素:   是對不銹鋼敏化起著重要作用的關(guān)鍵性元素，含碳量愈高,碳的擴(kuò)散量愈多,碳化物形成的就多,鉻的消耗量就大,使得晶間腐蝕傾向滲入晶界的深度加大。

 鉻元素： 鉻含量增加時(shí),有利于貧鉻區(qū)與富鉻區(qū)含鉻量的平衡,從而降低了晶間腐蝕的敏感性。

 鎳元素： 含鎳量增加可降低碳在不銹鋼中的溶解度,并促進(jìn)碳化物(Cr23C6)的析出和長大,所以鎳的含量增加會增加晶間腐蝕敏感性。
 
 氮元素:   氮的含量最好控制在0.10%以下,可以降低晶間腐蝕的敏感性。降低氮含量,既增強(qiáng)抗晶間腐蝕的能力,又增加了鋼的強(qiáng)度和韌性。
 硅元素:  少量的硅會降低鋼抗晶間腐蝕的能力,特別是對含鉬的不銹鋼,硅的有害作用更加顯著;但高含量的硅,可以使非敏化狀態(tài)的不銹鋼在強(qiáng)氧化介質(zhì)中有良好的抗晶間腐蝕能力。一般在晶間腐蝕的區(qū)域,硅的含量不超過晶粒本體的2～3倍。

 錫元素和鉛元素:  這些低熔點(diǎn)微量有害元素的存在會在晶界形成低熔點(diǎn)共晶體，降低晶界的強(qiáng)度，應(yīng)嚴(yán)格控制，降低到最低水平。

2. 組織結(jié)構(gòu)的影響

   在奧氏體不銹鋼的相結(jié)構(gòu)中,如果僅僅是單相奧氏體時(shí),抗晶間腐蝕性能較差。但如果在其組織結(jié)構(gòu)中存在鐵素體時(shí),形成樹枝狀的奧氏體-鐵素體雙相組織,能大大提高抗晶間腐蝕的能力,因?yàn)殍F素體中鉻的含量遠(yuǎn)大于奧氏體中的鉻含量,鐵素體中的大量的鉻會及時(shí)析出與碳結(jié)合,而不至于在晶界處形成貧鉻區(qū)。

3. 熱處理工藝的影響

  由于碳和鉻的擴(kuò)散速率不同,晶間腐蝕傾向受加熱溫度和加熱時(shí)間，兩個(gè)因素的影響,恰當(dāng)?shù)臒崽幚磉x擇和合理的操作可以消除貧鉻區(qū)、穩(wěn)定金屬組織。450～850℃為奧氏體不銹鋼敏化溫度,故可將溫度控制在450℃以下,在此溫度不會產(chǎn)生Cr23C6;將溫度升高到850℃以上,提高Cr的擴(kuò)散速度,使足夠的鉻在晶界處與碳結(jié)合,就不會在晶界處形成貧鉻區(qū),也就會降低發(fā)生晶間腐蝕的幾率。不銹鋼在加熱過程中,在敏化溫度區(qū)停留時(shí)間越短,發(fā)生晶間腐蝕的機(jī)會越小。

4. 腐蝕介質(zhì)的影響

  腐蝕介質(zhì)的種類與成分組成不僅決定是否引起晶間腐蝕,而且也影響晶間腐蝕的程度。通常奧氏體不銹鋼在性介質(zhì)中遭受的晶間腐蝕較為嚴(yán)重,在硫或硝中添加氧化性陽離子如Cu2+、Hg2+及Cr6+等都將加速晶界陽極溶解的速度,即加速晶間腐蝕。

四、不銹鋼晶間腐蝕的防止措施

  為了防止不銹鋼晶間腐蝕可以通過改變不銹鋼的化學(xué)成分和熱處理工藝兩條途徑。具體措施為:

  1. 降低不銹鋼中的碳含量。這是防止不銹鋼晶間腐蝕的最重要的措施。一般認(rèn)為不銹鋼中含碳量降低到0.03%以下(所謂超低碳不銹鋼)便可避免晶間腐蝕。

  2. 在不銹鋼中加入鈮和鈦。加入與碳親和力很強(qiáng)的元素鈮或鈦,生成穩(wěn)定碳化物,從而防止晶間腐蝕的發(fā)生。但需要注意的是,若在強(qiáng)氧化介質(zhì)(如硝)中加入鈮和鈦,反而有害,因?yàn)樯�成的TiC易被溶解。

 3. 固溶淬火處理。固溶淬火處理[能使碳化物不析出或少許析出,故可防止晶間腐蝕。具體工藝為將奧氏體不銹鋼加熱至1050～1150℃,使Cr23C6溶解,水淬,迅速通過敏化溫度區(qū),使合金保持含鉻的均一態(tài)。

五、結(jié)論

   由于晶間腐蝕各個(gè)因素之間是相互影響并相互聯(lián)系的，因此，想要盡量避免晶間腐蝕行為的發(fā)生，還有待于從金屬腐蝕理論的角度出發(fā),對奧氏體不銹鋼的特性及其各個(gè)影響因素之間的關(guān)系作進(jìn)一步的探討，加速對其耐腐蝕能力的研究，從而開發(fā)研制出更加優(yōu)越的不銹鋼,使不銹鋼的用途越來越廣泛。