海洋環境下奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕分析

魯宇陽，吳濤

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海洋環境下奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕分析

魯宇陽1，吳濤2

（1.華中科技大學附屬中學，湖北 武漢 430074；2.華中光電技術研究所，湖北 武漢 430074）

奧氏體不銹鋼由于具有良好的耐蝕性和焊接性而被廣泛運用。針對在海洋環境應用中奧氏體不銹鋼焊接件發生嚴重銹蝕而影響使用的問題，結合某奧氏體不銹鋼焊接件銹蝕情況和相關試驗，分析了在海洋環境中奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕原因，并從材料優化、熱處理、酸洗鈍化、焊接工藝、焊接結構幾個方面提出了提高耐蝕性的方法。

奧氏體不銹鋼；晶間腐蝕；刀狀腐蝕；縫隙腐蝕

工程材料的性能主要包括使用性能和工藝性能，使用性能是指材料的力學性能、物理性能和化學性能；工藝性能是指加工過程所反映出來的性能。在產品研制過程中，根據使用性能選材是特別重要的，任何材料都是在一定的環境條件下使用的，環境作用的結果可能引起材料的使用性能下降。不銹鋼所謂的“不銹”是相對的，不銹鋼是指一系列在空氣、水、鹽等水溶液、酸以及其他腐蝕介質中具有高度化學穩定性的鋼種。奧氏體不銹鋼由于具有良好的耐蝕性能和焊接性能而得到非常廣泛的應用。針對在海洋環境下奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕，分析了薄壁奧氏體不銹鋼焊接成型水箱的腐蝕原因，提出了幾種提高耐蝕性的方法。

1 奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕問題

奧氏體（17%～25%）Cr/（8%～25%）Ni不銹鋼，由于具有良好的耐蝕性能和焊接性能，而得到非常廣泛的應用。但是在應用中發現，對奧氏體不銹鋼來說，比如06Cr19Ni10，焊后未經任何處理的焊件，在鹽霧空氣中很快就會發生嚴重銹蝕，影響其應用[1]。某產品水箱的結構形式如圖1所示。該水箱底板是3 mm厚的06Cr19Ni10鋼板，上殼體板是1.5 mm厚的06Cr19Ni10鋼板，整體采用鈑金氬弧焊拼焊而成，焊后內壁涂環氧樹脂膠。

圖1 水箱殼體

經過調查發現，產品中有多個水箱發生銹蝕，并污染了水箱內的循環水，水體呈棕黃色。而未使用的暴露在空氣中的水箱（未涂環氧樹脂膠前），發現全部發生嚴重銹蝕，銹蝕區主要發生在焊縫周圍，有的銹蝕區為距焊縫15 mm的范圍，銹蝕情況如圖2所示。

圖2 銹蝕情況

2 奧氏體不銹鋼焊接件銹蝕原因分析

海洋環境下奧氏體不銹鋼焊接件銹蝕原因有內因和外因兩個。內因就是材料因素，包括材料的合金元素、各合金元素綜合作用、焊接結構熱處理后的組織（金相）、夾雜、產品的材料內應力等。

外因是環境因素，包括腐蝕介質（pH值濃度、溫度、雜質、生物、流速、壓力等）、鄰近機構的布置與材料的電極電位、防腐保護措施和產品的維護保養等。

2.1 晶間腐蝕

06Cr19Ni10是一種典型的奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼出廠時需經過固溶處理，即把鋼加熱到1 050～1 150 ℃后進行淬火處理以得到均相固溶體。

由于碳在奧氏體中的固溶度隨著溫度的下降而減小，因此經過固溶處理的鋼，碳是過飽和的。當鋼在焊接時，由于熱影響區經過400～850 ℃加熱，沒有快速冷卻而在該溫度區間停留，就會在晶界析出鉻的碳化物，使晶界附近鉻含量下降。當鉻的固溶度低于12%時，形成貧鉻區，鋼將失去原有的耐腐蝕性而被腐蝕。

通過觀察發現，水箱的銹蝕區正好處于熱影響區，而遠離焊縫的區域未發現銹蝕現象。

2.2 刀狀腐蝕

鈦與碳的親和力比鉻與碳的親和力強，鈦能與碳形成穩定的鈦碳化合物，而且這種鈦碳化合物比鉻碳化合物的固溶度小得多，因此加入Ti的奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10在經過敏化溫度區時，鉻碳化合物不至于大量在晶界析出，能很大程度上消除晶間腐蝕傾向。但是，鈦的加入量必須達到碳含量的5～10倍，而且還需進行穩定化處理。

焊接過程中，受焊接熱影響區過熱區的高溫影響，鈦的碳化物會向奧氏體組織中溶解。在高溫下，碳的擴散速度比鈦大得多，所以溶解的碳可以迅速向晶界處遷移。冷卻后，奧氏體中溶解較多的鈦，晶界有較多的碳，因此形成晶間腐蝕。此外，在多道焊或焊縫閉合區，在焊縫處發生循環加熱，也會發生碳的遷移，在晶界處形成鉻的碳化物，而使晶界貧鉻，容易形成晶間腐蝕，因此刀狀腐蝕也是一種晶間腐蝕。

2.3 縫隙腐蝕

奧氏體不銹鋼在含鹵素離子介質（比如海水）中抗點蝕的性能較差，常溫海水是不銹鋼局部腐蝕的敏感介質，很容易引發焊接部位的點蝕和縫隙腐蝕。點蝕和縫隙腐蝕的引發機制有共同之處，二者的發生和發展關系密切。縫隙容易產生表面沉積物和腐蝕產物堆積、海洋生物附著、海水殘留等，加劇縫隙腐蝕，焊接結構為產生縫隙腐蝕提供了極為有利的條件。

3 提高耐蝕性的方法

3.1 材料優化

在材料中加入適量的Mo元素，可以形成穩定性更高、更致密的氧化膜，這種氧化膜能防止鹵族元素離子對不銹鋼表面鈍化膜的破壞。降低鋼的含碳量，一般含碳量應小于0.03%；加入強碳化物形成元素Ti、Nb等，使鋼優先形成穩定的TiC、NbC，而不形成鉻的碳化物，以保證奧氏體不銹鋼的含鉻量[2]。

3.2 熱處理

06Cr19Ni10水箱焊接結構發生生銹，主要是由于焊接熱使碳發生遷移，在晶界附近產生鉻的碳化物，而使晶界附近貧鉻，從而發生晶間腐蝕。因此可以采用固溶處理的方法，也就是將焊件在爐內加熱到1 050 ℃，保溫30 min，然后水冷。固溶處理可以使鉻的碳化物發生分解并重新融入奧氏體中，消除貧鉻現象，也就提高了抗晶間腐蝕能力。

此外，也可以在焊后采用穩定化處理的方法，也就是把焊件加熱到850～880 ℃，保溫6 h，空冷或隨爐冷。穩定化處理可以使鉻碳化合物完全溶解，而鈦碳化合物析出，從而使奧氏體里有足夠的鉻，進而提高了其耐蝕的能力。

3.3 酸洗鈍化

為提高奧氏體不銹鋼焊接件抗腐蝕性能，需要保證焊后的表面處理水平。要去除焊瘤、飛濺物、銹等，也要打磨掉高溫氧化物。對于像水箱這種封閉殼體，可以使用酸洗的方法清除污物。酸洗后再用質量濃度為5%～20%的硝酸溶液進行鈍化處理，使其表面形成一層氧化膜。

3.4 焊接工藝

在焊接方面上，宜采用小電流、快速焊，以減小熱影響區范圍。對于水箱這樣的薄壁焊接件，可采用直流反接法，減少溶池產生過熱現象和燒穿現象[3]。焊縫坡口必須采用嚴格的除水、油和雜物措施，焊縫表面不允許存在裂紋、氣孔、未填滿或未熔合的缺陷。

3.5 盡量少采用焊接結構

受焊熱的影響，發生冶金反應而改變原奧氏體組織成分是不可避免的，再加上焊縫背面的焊瘤、雜質和氧化物不宜清理，增加了發生腐蝕隱患的概率。因此為避免發生腐蝕，在條件允許下（比如質量、空間和加工費用），盡量少用焊接結構或不用焊接的結構[4-5]。

腔體可采用銑削加工方式，然后與底板用O形圈連接，形成水密水箱腔體。此種方法可能導致質量和加工量的增加，但對于異型需要大量拼焊的結構有其優勢。對于大批量生產，腔體可采用沖壓成型的方式，這樣可降低單件成本。

4 實驗及結果

試驗中取用了三個相同結構和焊接工藝的06Cr19Ni10水箱，一個水箱不做任何處理置于空氣之中，另兩個水箱，一個水箱進行了固溶處理，一個水箱進行了固溶處理和酸洗鈍化，兩個都浸入高濃度鹽水20 d。

20 d后發現，置于空氣中的水箱在距焊縫15 mm范圍內發生大面積銹蝕，而遠離焊縫的基體沒有發生銹蝕。置于高濃度鹽水中、經固溶處理的水箱發現銹斑，分布不規則，有的銹斑在焊縫周圍，有的發生在遠離焊縫的基體上。置于高濃度鹽水中、經固溶處理和酸洗鈍化的水箱也發現少量銹斑，銹斑數量比進行固溶處理后的少，分布不規則。可見，固溶處理和表面酸洗鈍化可以提高奧氏體不銹鋼焊縫周圍的耐蝕能力。

5 結論

海洋環境下奧氏體不銹鋼焊接件的腐蝕原因主要是焊接熱使碳發生遷移，在晶界附近產生鉻的碳化物，從而使晶界附近貧鉻，產生晶間腐蝕；常溫海水是不銹鋼局部腐蝕的敏感介質，很容易引發材料的點蝕和縫隙腐蝕。

奧氏體不銹鋼焊接件，可以通過固溶處理或穩定化處理，經過酸洗鈍化，提高其耐蝕性。而對于新設計的產品，在條件允許下，可以采用銑削結構，并采用O形圈連接成密封箱體，而大批量生產時，可以用沖壓成型的腔體。對耐蝕性要求較高的焊接結構件，可采用更好的耐蝕材料，比如00Cr17Ni14Mo2等。

［1］于啟湛，丁成鋼，史春元.不銹鋼的焊接［M］.北京：機械工業出版社，2009.

［2］趙麥群，雷阿麗.金屬的腐蝕與防護［M］.北京：國防工業出版社，2002.

［3］李淑華，王申.焊接技師技術問答［M］.北京：國防工業出版社，2005.

［4］韓順昌.金屬腐蝕纖維組織圖譜［M］.北京：國防工業出版社，2008.

［5］劉政軍，徐德昆.不銹鋼焊接及質量控制［M］.北京：化學工業出版社，2008.

2095－6835（2019）01－0086－02

TG142.72

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.086

魯宇陽（2001—），女，湖北武漢人，主要從事機械設計相關的探究性學習研究。

吳濤（1978—），男，湖北武漢人，高級工程師，主要從事船舶機械設計方面的研究。

〔編輯：嚴麗琴〕