308L不銹鋼堆焊試板點腐蝕原因分析

王 杰 劉 賀 劉 麗 張興鐸

(中國一重鑄鍛鋼制造有限公司，黑龍江161042)

不銹鋼之所以不銹，主要是因為表面具有一層抗腐蝕的鈍化膜，這層鈍化膜作為金屬與介質間的一個屏障，從而降低了金屬的溶解速度。而點腐蝕(以下稱點蝕)則是奧氏體不銹鋼發生在金屬表層局部區域，鈍化膜被溶解后的一種電化學腐蝕性破壞形式之一。多數情況下是在腐蝕性陰離子(如Cl-)等含量較高的環境中產生，由于氯離子自身與金屬表面吸附能力大、半徑小、穿透能力強，故它最容易在金屬表面局部區域，有選擇性的吸附在鈍化膜上并把氧原子排擠掉，然后穿透鈍化膜內孔小的孔隙與金屬陽離子結合，形成強氯化鹽進而溶解鈍化膜，并向深度方向不斷擴展直至最后蝕透金屬。一旦這層鈍化膜遭到破壞，腐蝕就會在原蝕坑處繼續加深。點蝕的最大特點是隱蔽性強、危害性大，輕則造成跑、冒、滴、漏，重則將造成難以控制和不可估量的核泄漏。腐蝕程度一般根據單位面積上腐蝕坑的密集程度和最大深度來評定，通常最大點蝕坑直徑在(10～30)μm之間。

我廠生產的一塊在生產前期實驗性用的308L不銹鋼堆焊試板，探傷檢測后發現有大面積局部銹蝕現象。后經取樣驗證，該事故是因為在探傷檢測時，使用了氯離子含量嚴重超標的不合格耦合劑造成的。換用其它批次的耦合劑后，徹底杜絕了類似事故的再次發生。

1 檢驗方法和結果

將銹蝕部位用砂紙打磨后發現大部分基體未受腐蝕，局部區域呈點蝕狀態，其形貌特征為：

(1)未腐蝕前檢驗：凹坑區域占整個銹蝕面積的很少部分，屬局部腐蝕，粗拋后局部區域呈現出類似被尖錘密集敲擊過的凹坑痕跡。但直徑大小不一，細看底部已被嚴重的腐蝕產物所覆蓋，為典型的點腐蝕(見圖1和圖2)。

(2)腐蝕后檢驗：點蝕多數發生在兩種組成相之間的結合部，即母相奧氏體和α相的交匯處，形狀各異，多數呈點狀或不規則的塊狀分布(見圖3)。最大點蝕坑直徑為(8～10)μm，深度為(10～12)μm，為輕度點腐蝕(見圖4、圖5)。

圖1 砂紙粗磨后的點腐蝕坑 100×Figure 1 The point corrosion pit after grinding by sand coarse paper

圖2 精拋后未腐蝕的點腐蝕分布情況 100×Figure 2 The point corrosion distribution after finishing by casting

圖3 電解后的點腐蝕分布情況 100×Figure 3 The point corrosion distribution after electrolysis

圖4 橫向點腐蝕坑的直徑Figure 4 The horizontal point corrosion pit diameter

圖5 縱向點腐蝕坑的深度Figure 5 The longitudinal point corrosion pit diameter

(3)掃描電鏡檢驗：從電鏡照片的微觀形貌特征上看，點蝕的形成并非屬于一次性腐蝕的過程，而是以兩種形式不斷反復交替的腐蝕方式進行的，即次生腐蝕是在初生腐蝕的基礎上繼續進行的(見圖6、圖7)。

2 分析和討論

308L不銹鋼屬于300系列Fe-Cr-Ni合金奧氏體不銹鋼，鉻鎳含量相對較高，屬于最耐腐蝕的單相不銹鋼之一。優點是可焊性好，耐蝕性和綜合性能較高，由于碳含量控制在0.03%以下，所以降低了因碳化鉻的晶界沉淀而產生的諸如晶間腐蝕、應力腐蝕和點腐蝕缺陷的可能性。缺點是抗氯、硫、氟等離子侵蝕的能力較差。在一定條件下之所以不銹，是因為鋼中的鉻所產生的鈍化作用。一旦被破壞的鈍化膜不能發生再鈍化，各種腐蝕將會繼續擴大，點蝕就是最具有代表性的破壞形式之一。為了確定點蝕形成的原因，我們從以下諸方面加以分析和討論。

2.1 點蝕形成的條件及影響因素

根據電化學腐蝕的基本原理，點蝕的形成條件及影響因素主要有以下幾方面：

(1) 產生條件：需要有兩個或兩個以上不同電極電位的物體，或同一物體具有不同電極電位的區域，以形成正負電極；電極之間需要有導線相接或短路(即相互接觸)；需要有電解液[1](如本試驗用的探傷用偶合劑)。

(2)影響因素：首先是微電池腐蝕電位的影響。鈍化膜是保護不銹鋼免遭腐蝕的主要屏障，鈍化能力越強的鋼對點蝕的敏感性也越高。點蝕的發生與介質中含有活性陰離子(如Cl-)或氧化性氧離子有很大關系。大多數的點蝕事例都是在含有氯離子或氯化物介質中發生的。實踐證明，在陽極極化的條件下，介質中只要含有氯離子便可使金屬發生腐蝕，而且隨著介質中氯離子的增加，點蝕電位下降，使點蝕加速進行[2]。其次是PH值的影響。實踐證明，隨著溶液PH值的降低，腐蝕速度逐漸增加，并且在PH值相同時，含不同氯離子溶液的腐蝕速度相差不大，這證明溶液的PH值對腐蝕起著決定性的作用。因為腐蝕速度與溶液的PH值呈對數關系，所以PH值的微小變化都會對腐蝕速度帶來明顯的影響。但在堿性介質中，隨著PH值的增高，金屬的孔蝕臨界電位值變正，提高了點蝕阻力。在酸性介質中兩者的影響差距不大。

其它影響因素如鋼的化學成分不均勻，顯微組織不均勻，這也是促進點腐蝕形成的重要因素之一。另外如材料及介質的性質、表面狀況、溫度、時間、雜質、晶體結構、鈍化膜及表面污垢等，都有可能成為點蝕的萌生源。

2.2 氯離子對不銹鋼鈍化膜的破壞

氯離子破壞鈍化膜的直接原因是由于氯離子對不銹鋼表面有很強的吸附力。由于其自身半徑小，穿透能力強，故它最容易穿透鈍化膜內孔小的孔隙，使腐蝕進一步加深。首先它有選擇性的吸附在鈍化膜上，把氧原子排擠掉，然后和鈍化膜中的陽離子結合生成可溶性氯化物，結果在露出的金屬特定點上生成小的點蝕凹坑(直徑多數在10 μm～30 μm之間)，所以氯離子的存在對不銹鋼的鈍化起著直接的破壞作用。而在含氧化性金屬陽離子的氯化物中，如FeCl3、CuCl2、HgCl2等，對點蝕的促進更為強烈。

圖6 次生腐蝕坑的微觀形貌和活化態時的成分含量Figure 6 The secondary point corrosion pit appearance and the component content of activation state

圖7 基體處的成分含量Figure 7 In the matrix component content

另外，處于鈍化狀態的金屬仍有一定的反應能力，即鈍化膜的溶解與修復(再鈍化)，使之處于動態平衡狀態，但當介質中含有陰離子(如Cl-)時，平衡將受到破壞，腐蝕將繼續進行。

2.3 點腐蝕的形成過程

在含有Cl-介質中的不銹鋼表面鈍化層最容易遭到破壞，這主要是因為Cl-氧化電勢能較大，腐蝕性陰離子與金屬離子結合形成氯化鹽進而溶解鈍化膜，或者腐蝕性陽離子，例如 [Cl-] 與 [O2-]交換，使膜產生空位等[3]因素所致。這時內層金屬處于活化態為小陽極，電位較負，易受腐蝕。表面金屬處于鈍化態，電位較正，為陰極，不受腐蝕。這時內層和表面金屬構成了一個活化態——鈍化態的微電池。電池具有大陰極-小陽極的面積比結構，這時內層金屬將發生溶解并產生下列反應：Fe→Fe2++2e，Cr→Cr3++3e，Ni→Ni2++2e。

隨著時間的推移，初生蝕孔除自身溶解長大外，還會在內壁(主要是底部)形核并產生新的點蝕小孔。從電鏡下蜂窩形小孔的微觀形貌特征上看，可進一步證實，二次點蝕遵循在初生蝕孔底部形核并逐步長大的形成方式(見圖6、圖7)。即初生蝕孔長大到一定程度后，內壁將產生活化/鈍化的轉變過程，原蝕孔的長大速度減緩并可能完全停止，使得二次形核的次生蝕孔不斷長大。這種鈍化膜并不能使蝕孔穩定鈍化，也不會讓腐蝕停止發展，而是將點蝕從完全活化態轉化為局部活化態，在使初生點蝕生長暫停的同時又轉化為次生點蝕生長的開始。當蝕孔在一定時期處于完全活化態時，蝕孔內壁有明顯的Cr元素的相對貧乏和O、Ni、Fe等元素的相對富集，內部腐蝕均勻，不斷溶解，點蝕又以初生生長方式長大。但是這種生長方式至少在某些條件下并不能完全穿透金屬。此后隨著Cr元素逐漸富集，蝕孔內壁將逐漸建立起新的鈍化膜，這種鈍化膜使孔內由完全活化態又轉化為局部活化態。在結束了初生蝕孔生長方式的同時，在閉塞區域內又開始了次生蝕孔的完全活化態，孔蝕又繼續進行。通過上述“初生蝕孔完全活化態——蝕孔局部活化態——次生蝕孔完全活化態”周期性的反復，兩種活化態的相互轉換，對應的兩種腐蝕生長方式交替進行，不斷的沿蝕孔底部(厚度)方向加速腐蝕，直至最終穿透金屬。

3 結論

(1) 銹蝕現象系因氯含量嚴重超標而產生的點腐蝕所致，最大點蝕坑直徑為(8～10)μm，深度為(10～12)μm，為輕度點腐蝕。

(2) 腐蝕坑只在少數局部區域分布，并非沿整個銹蝕層下面密集分布。

(3)在確保整個試板表面(沿厚度方向)一次性打磨0.2 mm以上后，徹底杜絕了二次點腐蝕的再次發生。

[1] 浙江大學等金相教研組合編.鋼鐵材料及熱處理工藝.上海科學技術出版社.

[2] 黃趙菊主編.金屬腐蝕與防護.西安交通大學出版社.

[3] 王曉敏主編.工程材料學.北京：機械工業出版社.