奧氏體不銹鋼晶間腐蝕機理和控制方法簡介

李嘉和 李文娟

摘要：奧氏體不銹鋼若在焊接等熱加工時處理不當，容易在焊縫、熔合線及熱影響區出現危險性大的晶間腐蝕使不銹鋼幾乎喪失強度。本文對奧氏體不銹鋼焊接時產生晶間腐蝕的原因機理進行了分析，并對奧氏體不銹鋼避免晶間腐蝕或改善晶間腐蝕的方法進行介紹，為奧氏體不銹鋼結構設計，冷熱加工，使用管理和維護保養等提供指導。

關鍵詞：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三種腐蝕現象：晶間腐蝕，應力腐蝕，整體腐蝕。通常認為腐蝕為多種類型同時存在及轉變，本文主要就晶間腐蝕進行描述，晶間腐蝕可在焊縫，熔合線及熱影響區出現。晶間腐蝕發生在晶粒邊界，向金屬內部深入形成脆弱的結合面（見圖1），使金屬幾乎喪失強度，在低應力條件下即可快速失效。在晶間腐蝕導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，晶間腐蝕被認為是一種危險性大的破壞形式。

2.晶間腐蝕產生的原理

晶間腐蝕產生的原理現有公認的貧鉻理論可以進行解釋：不銹鋼在高溫狀態下，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致晶粒外緣臨接區域的鉻含量下降，稱為貧鉻區。碳化鉻析出導致的區域貧鉻不會導致加速腐蝕，同時取決于腐蝕介質類型。在之后當接觸到具有導致不銹鋼晶間腐蝕能力的介質時，晶界與晶粒內化學成分的差異，在適宜的介質中形成腐蝕的電池，晶界為陽極，晶粒為陰極（見圖2），晶界產生選擇性溶解，貧鉻區溶解速度遠大于晶粒本身，導致向金屬內部深入形成脆弱的結合面，使金屬喪失強度。不銹鋼貧鉻區是不銹鋼產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，則相應的減少了碳化鉻形成，也就降低了晶間貧鉻產生的程度。其中碳的來源分為內部和外部。內部的碳來源可以通過材料的成分進行控制，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行控制，如避免接觸含碳物質或者對接觸過碳的不銹鋼使用專用磨具進行表層清除。

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℃時貧鉻不發生。溫度超過850℃時，晶粒內的鉻擴散能力增強，有足夠的鉻擴散至晶界和碳化合避免貧鉻。當金屬在敏化區停留時間短，則碳原子向不銹鋼晶間的擴散量相應降低。同時由于奧氏體不銹鋼在急冷時不會向馬氏體進行轉變，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添加穩定元素及穩定熱處理

當金屬中存在比鉻更易于與碳結合的元素，如：鈦、鈮和鉭等，這些元素優先與碳形成穩定碳化物，則對不銹鋼晶間的貧鉻現象進行改善。但穩定元素在特定條件下仍可能無法完全避免貧鉻區域的形成。以鈦為例，當溫度繼續升高時，碳化鈦也會進行溶解，從而導致鈦對碳的穩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，所以碳原子的擴散速度高于鈦，仍會有部分與鉻結合產生區域貧鉻，發生在熱影響區的此類現象被稱作刀蝕，刀蝕可以通過將焊接接頭溫度再次加熱到約870℃來進行消除。在此溫度下，鈦、鈮和鉭優先于鉻形成碳化物，此工藝被稱作穩定熱處理，穩定熱處理僅針對含有穩定元素的不銹鋼類型（由于鉭和鈷可以被激發具備放射性，在核工業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散的趨勢，都向兩相交界處進行擴散。其中奧氏體中的碳擴散速度較快，在兩相邊界行成碳化鉻。同時鐵素體中的鉻擴散速度大于鉻在奧氏體中的擴散速度。則一旦晶界出現貧鉻時，鐵素體中的鉻能夠及時的進行補充，使得奧氏體晶界出現的貧鉻降低，分布不連續，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。但應注意鐵素體含量過高反而會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基于裂紋敏感性，抗腐蝕性能，機械性能，所接觸介質等多方面因素考慮。如：服役于碳酰胺工況，高溫等特殊工況時應控制鐵素體含量在較低水平，對于磁性的要求，對于低溫性能的要求等。

3.5合理安排焊接順序

應充分考慮后續焊層對前續焊層的升溫作用。條件允許的情況下，將與介質接觸的表面安排最后進行焊接;條件受限的情況下，對焊接工藝進行調整，減免后續焊層對前續焊層的敏化影響。

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，在此溫度時碳重新熔入奧氏體之中，經過適當的保溫時間，然后使其快速冷卻通過敏化溫度區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，所以如果構件將來服役于相當于敏化溫度區的環境時，貧鉻區將可能會在碳的熔入區域形成。

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℃之間進行數小時的保溫，使奧氏體晶粒內部的鉻有充分時間向晶間進行擴散，對晶界的原貧鉻區進行補充鉻，恢復此區域的耐腐蝕性能。

4.結論

奧氏體不銹鋼晶間腐蝕作為一種在外觀上不易發現且會造成突然失效的嚴重腐蝕，其形成的機理與結構設計，材料選用，冷熱加工，使用管理和維護保養等多方面因素有關。合理的應用考慮可有效的減少此失效的發生。