汽車排氣管尾管鐵素體不銹鋼晶間腐蝕評價方法研究

駱漢英，王志敏，林辰，姚文斌，岑裕鋒

（威凱檢測技術有限公司，廣州 510300）

前言

近幾年，我國汽車工業快速發展。高速發展的產量對汽車用鋼提出了更高的要求，其中也包括了不銹鋼材料。隨著汽車尾氣排放等級化以及為實現節能而開展的汽車減重等要求的進一步提高，傳統排氣系統用鑄造金屬和鍍鋁碳鋼材料已經不能滿足要求，因此高性能的不銹鋼材料將迎來廣泛應用空間。到目前為止，不銹鋼在國內汽車領域的應用主要為乘用車的排氣系統以及汽車內外的裝飾部件。

鐵素體不銹鋼在常溫和高溫下均以體心立方晶間結構的固溶體形式存在。它的鉻含量大于11～30 %之間，一般不含鎳，有時含有少量的鉬、鈮和鈦等合金元素。鐵素體不銹鋼可以根據鉻含量分為低鉻、中鉻和高鉻三類。低鉻鐵素體409 不銹鋼因為兼具經濟性和實用性的優點，使用最廣泛，使用量約占整個汽車排氣系統的50～60 %；中鉻鐵素體不銹鋼436 因添加合金元素Mo其耐蝕性得到進一步提高；439 又因具備比409 更好的耐蝕性以及比436 更低的制造成本，受到主機廠青睞［1］。為了進一步降低材料成本，汽車主機廠和零部件供應商對于國產鋼材的進口替代需求不斷提高，但是這些材料需要通過第三方機構進行應用驗證，證明可以達到（或超過）進口材料性能后方可納入供應商管理，采購、使用。

1 國內外晶間腐蝕試驗方法的研究現狀

不銹鋼的晶間腐蝕是最危險的腐蝕失效形式之一，通常是指發生在特定的腐蝕介質（如強氧化性的酸）和條件下，沿著晶界所發生的一種電化學腐蝕現象。雖然鐵素體不銹鋼擁有價格低廉的成本優勢，但因其耐晶間腐蝕性能較差，且腐蝕敏感性與鉻鎳奧氏體不銹鋼還存在較大的差異。

目前供不銹鋼生產、交貨和驗收的有關檢驗晶間腐蝕傾向的試驗方法，而且絕大多數限于奧氏體不銹鋼。晶間腐蝕試驗方法基本有五種，分別是草酸電解浸蝕法、沸騰硫酸硫酸鐵法、沸騰65 %硝酸法、硝酸-氫氟酸法和沸騰硫酸-硫酸銅法[2]。

表1是常用的晶間腐蝕使用標準，其中美標ASTM A763-2015[3]是鐵素體不銹鋼的專用評價標準，但從該標準的表1 的試驗方法應用分類可知，該標準主要的試驗方法對中鉻和高鉻的鐵素體不銹鋼適用，對于低鉻鐵素體不銹鋼如409 則沒有相應的試驗方法。由于低鉻鐵素體不銹鋼含鉻低，均勻腐蝕嚴重，如果采用ASTM A763的X 法和Y 法進行晶間腐蝕敏感性試驗時，必定會發生嚴重的均勻腐蝕而導致試驗結果不科學，因此低鉻鐵素體不適用此方法進行檢驗；另因鐵素體不銹鋼的室溫下的韌性較差，使用Z 法，則無法采用彎曲的方法來評定晶間腐蝕敏感性；而W 法“10%草酸浸蝕試驗方法”雖然可用于低鉻鐵素體不銹鋼晶間腐蝕性能的測定，但一般只作為試驗前的篩選方法。日本JIS G0575-1999[4]選用“銅—硫酸銅-16 %硫酸”浸泡方法，對應AST A763 的Z 方法，適用范圍為奧氏體、鐵素體、雙相不銹鋼。國標 GB/T 4334-2020[5]適用于檢驗奧氏體不銹鋼及鐵素體—奧氏體雙相不銹鋼的晶間腐蝕傾向，試驗方法分A～F 六種方法，其中方法A、B、E 對應AST A763 的W、X、Z 方法。國標GB/T 32571-2016[6]適用范圍為高鉻鐵素體不銹鋼，試驗方法與ASTM A763 一致。

表1 常用晶間腐蝕試驗標準及適用范圍

無論是美標ASTM A763、日本JIS G0575 和國標GB/T 4334-2020，通常試件需要彎曲到 180 °，然后觀察彎曲表面開裂情況。如果表面上沒有肉眼可見的細小裂紋，則表明材料滿足晶粒間腐蝕試驗設定標準的要求。

隨著不銹鋼冶煉工藝的提升，超低碳不銹鋼的成本顯著下降，低碳不銹鋼的晶間腐蝕，很難用肉眼觀察，為此金相顯微觀察更能準確判斷材質的晶間腐蝕敏感性。

對于低鉻鐵素體不銹鋼如409，如果采用ASTM A763 的Z 法“16 %硫酸-硫酸銅-銅試驗方法”則不適合。可以通過降低硫酸濃度或者減少浸泡時間的方法作為對低鉻鐵素體不銹鋼的評價方法。2013 年李釗等[7]通過試驗研究表明低鉻鐵素體不銹鋼隨著硫酸濃度和浸泡時間的增加，不銹鋼的晶間腐蝕現象不斷加劇。國標GB/T 31935-2015[8]的方法適用于檢驗在弱氧化性腐蝕介質中的低鉻鐵素體不銹鋼（通常鉻含量少于16 %）。試驗后通過金相法觀察試樣斷面的晶間腐蝕深度。

2 實驗部分

2.1 晶間腐蝕試驗方案

根據現有的鐵素體不銹鋼晶間腐蝕的評價方法，高鉻鐵素體不銹鋼評價方法可以參考ASTM A763 和GB/T 3257-2016 的對應方法，中鉻鐵素體不銹鋼的評價方法是參考“沸騰的銅-硫酸銅—16 %硫酸溶液腐蝕試驗方法”。低鉻鐵素體不銹鋼相比于中高鉻鐵素體不銹鋼，晶粒含鉻量低，通過降低硫酸濃度或者減少浸泡時間的方法作為對低鉻鐵素體不銹鋼的評價方法。因此本方案中，低鉻鐵素體409 采用GB/T 31935-2015 試驗溶液“銅—24 %硫酸銅—0.5 %硫酸”進行化學浸泡試驗，中鉻鐵素體436、439 采用JIS G0575-1999 試驗溶液“銅-硫酸銅—16 %硫酸”進行，試驗條件參數如表2 所示。

表2 晶間腐蝕試驗條件參數

2.2 試驗過程

試驗用的材料為409、436 和439 三種鐵素體不銹鋼板，樣品尺寸為80 mm*50 mm*1.2 mm，焊縫位于中間。模擬成品實際狀態即焊接后裁樣，無需敏化處理。樣品經過除油、打磨處理、酒精風干后進行浸泡試驗。試驗結束后取出試樣，用清水沖洗后再用濾紙吸干表面水分，干燥后裁切成合適的尺寸，見圖1。然后對試件進行清洗、鑲嵌、研磨拋光或化學侵蝕，最后采用LeicaDM6000M正置式金相顯微鏡對截面進行顯微觀察。

圖1 單焊縫取樣方式

2.3 實驗結果及現象

2.3.1 實驗結果

在實驗室完成試驗后，對各鋼種的試件進行宏觀、微觀形貌觀察（見圖2～圖7）以及結果判定（見表3）。低鉻鐵素體不銹鋼409 經過16 h“銅—24 %硫酸銅—0.5 %硫酸”浸泡試驗后，表面出現嚴重的腐蝕發黑現象，見圖2（b）、圖3（b），即出現均勻腐蝕，表明低鉻鐵素體不銹鋼耐均勻腐蝕性能較差，本次的試驗結論與相關研究結論一致；在100 倍金相顯微鏡下均觀察到晶間腐蝕裂紋從焊縫處發生，熱影響區有較明顯的晶粒粗化現象，無晶間腐蝕。其中進口409 的最大晶間腐蝕深度超過國產409 產生的裂紋，見圖2（c）、圖3（c），結果表明低鉻鐵素體不銹鋼409具有晶間腐蝕敏感性傾向。

圖2 國產409 晶間腐蝕情況

圖3 進口409 晶間腐蝕情況

圖7 進口439 晶間腐蝕情況

表3 各鋼種試件的晶間腐蝕結果

中鉻鐵素體不銹鋼436 和439 在經過16 h“銅-硫酸銅—16 %硫酸”浸泡試驗后，腐蝕不明顯，焊縫區和熱影響區均未出現明顯氧化現象，見圖4～7 的圖b；此外在100 倍金相顯微鏡下均未觀察到晶間腐蝕裂紋，熱影響區有較明顯的晶粒粗化現象，無晶間腐蝕，見圖4～7 的圖c，結果表明中鉻鐵素體不銹鋼436 和439具有較優異的抗晶間腐蝕敏感性。

圖4 國產436 晶間腐蝕情況

2.3.2 討論與分析

低鉻鐵素體不銹鋼409 在降低硫酸濃度“銅—24 %硫酸銅—0.5 %硫酸溶液”微沸浸泡試驗后，整個金屬表面出現嚴重發黑現象，發生均勻腐蝕，與409 不銹鋼本身含Cr 量少而導致耐腐蝕性能較差相關；在金相顯微鏡下觀察到裂紋從焊縫處發生，熱影響區有較明顯的晶粒粗化現象，無晶間腐蝕。通過試驗結果可以看出，國產材料409 相比進口材料409 出現的晶間裂紋較為輕微，其耐晶間敏感性優于進口材料。

中鉻鐵素體不銹鋼436 和439 兩種鋼種在“銅-硫酸銅—16 %硫酸溶液”微沸浸泡后，熱影響區和焊縫區均出現非常輕微腐蝕變色，在金相顯微鏡下觀察未發現晶間腐蝕裂紋；熱影響區有較明顯的晶粒粗化現象，無晶間腐蝕。通過試驗結果對比，436 和439 的國產材料與進口同牌號鋼種的晶間敏感性相當。

晶間腐蝕作為汽車排氣系統失效形式之一，其材料的晶間腐蝕驗證十分必要。通過上述對比試驗，國產409、436、439 與進口同牌號材料均表現出優于或相當的耐晶間腐蝕性能，滿足替代材料耐晶間腐蝕性能要求。

圖5 進口436 晶間腐蝕情況

圖6 國產439 晶間腐蝕情況

3 結論

1）鐵素體不銹鋼存在晶間腐蝕傾向，特別是低鉻鐵素體不銹鋼，按降低硫酸濃度GB/T 31935-2015 進行晶間腐蝕敏感性檢測時，該方法適合低鉻不銹鋼409 的晶間腐蝕敏感性檢測。低鉻鐵素體409 不銹鋼容易出現均勻腐蝕，且兩款材料均出現晶間腐蝕傾向，其中國產409 的耐晶間敏感性優于進口材料。

2）中鉻鐵素體不銹鋼436 和439 在“銅-硫酸銅—16 %硫酸溶液”微沸浸泡后，在100 倍的金相顯微鏡下觀察，國產材料與進口材料均未觀察到晶間腐蝕，兩者的耐晶間腐蝕敏感性相當。

3）通過試驗對比分析，國產409、436、439 與進口材料409、436、439 的耐晶間腐蝕敏感性優于或相當，經試驗驗證，可以作為進口材料替代使用。