不锈钢管耐晶间腐蚀性能分析

  晶间腐蚀是一种选择性的腐蚀破坏，它与一般选择性腐蚀不同，腐蚀不是从局部外表面开始的，而是集中发生在金属的晶界区，因此称做晶间腐蚀。发生这种类型腐蚀之后，有时从外观上不易察觉出来，但由于晶界区因腐蚀已遭到破坏，材料强度几乎完全丧失，严重者可失去金属声，这时每个晶粒实际上已接近分离，稍经受力即沿晶界断裂，甚至会成为粉末。所以晶间腐蚀是一种危害性很大的腐蚀破坏。

  晶间腐蚀在铬镍、铬锰氮等奥氏体不锈钢管与高铬铁素体不锈钢管中均可发生，两者表现形式虽相同，但其机理不完全一样。

  奥氏体不锈钢在450～850℃区间受热后，原来固溶在奥氏体中的碳与铬结合，在奥氏体晶界以Cr₂₃C₆碳化物的形式析出，造成了晶界区的奥氏体贫铬，即铬降到不锈钢耐蚀所需要的最低含量以下，从而使腐蚀集中在晶界的贫铬区。贫铬区的厚度为10～41nm。贫铬区成为微阳极，Cr₂₃C₆和其余奥氏体区成了微阴极，于是构成了腐蚀微电池。这就是通常所说的奥氏体不锈钢晶界腐蚀的贫铬论。

 消除铬镍奥氏体不锈钢管因Cr₂₃C₆析出所造成的晶间腐蚀的方法，有如下几种。

   ①. 采用高温1050～1100℃固溶处理，将铬的碳化物全部溶解在奥氏体中，然后水淬，将奥氏体固定下来。但这通常只适用于不再焊接的钢。

   ②. 生产超低碳（C含量＜0.03％）不锈钢，使Cr₂₃C₆无从析出。

   ③. 改变析出的碳化物类型。最常用的方法是向钢中加入强碳化物形成元素，如Ti、Nb等。由于这些元素与碳的结合力比铬大得多，因此，当这些元素的量足够时只会形成TiC或NbC 等稳定型碳化物，不再会出现Cr₂₃C₆。而且TiC或NbC在1050℃以下不溶于奥氏体，这就排除了在低温形成Cr₂₃C₆的可能性，从而就消除了由于Cr₂₃C₆析出所造成的晶间腐蚀。一般含有Ti、Nb这类元素的钢称为稳定化钢。实践证明，为避免奥氏体钢产生晶间腐蚀，加入Ti或Nb的量显然取决于钢中的碳含量，它们在钢中的含量应分别为

     0.8% ≥ [Ti] ≥ 5([C]-0.02)   (3-1)

     1.0% ≥ [Nb] ≥ 10[C]-0.02)   (3-2)

  式中，［C］为钢的总碳量；0.02为可溶解于奥氏体而不形成碳化物的那一部分碳。需要指出，以Ti、Nb等元素稳定化的钢，必须再经稳定化热处理才能保证无晶间腐蚀。稳定化热处理的工艺为：850～880℃保温5～6h后空冷。这样处理的目的就是让Cr₂₃C₆型碳化物溶解，而让TiC或NbC充分析出。

   ④. 改变晶界上碳化铬析出的数量及分布状态。欲达此目的，可有两种途径：一是调整钢的化学成分，使钢成为奥氏体铁素体双相组织；二是把钢预先进行冷形变。当钢为γ＋δ双相组织时，如钢在450～850℃受热，则Cr₂₃C₆碳化物首先在δ／γ相界处的δ铁素体一侧析出，并且呈分散的点状，这样，就减少了在奥氏体晶界析出的Cr₂₃C₆的量。同时，由于铬在δ铁素体中的扩散系数要比在奥氏体中的扩散系数大10³倍，所以不至于在8铁素体内Cr₂₃C₆析出的周围造成贫铬区。这样，就降低了晶间腐蚀倾向。把钢预先进行冷形变，就可使Cr₂₃C₆沿滑移带析出。这样，也使得奥氏体晶界上析出的Cr₂₃C₆数量减少及分布不连续，从而也就降低了晶间腐蚀倾向。

  铁素体不锈钢有时也可产生晶间腐蚀，但避免这种腐蚀的热处理工艺恰好与奥氏体钢相反。研究指出，铁素体不锈钢自900℃以上急速水冷后，很容易遭受晶间腐蚀；这种易受晶间腐蚀的状态（敏化态）经过650～850℃加热后，便可消除。但奥氏体钢和铁素体钢发生晶间腐蚀以及消除晶间腐蚀的处理如此不同，是由于C及N在α中的固溶度远小于在γ中的固溶度，加上C及N在α晶界吸附趋势大，易在α晶界析出碳化铬，因而形成贫铬区引起晶间腐蚀。碳化铬在α晶界的析出，用一般的水冷无法抑制，这是一方面；另一方面，由于Cr在α中的扩散较在γ中扩散来得快，因而在650～850℃短时加热即可消除贫铬区，从而消除了晶间腐蚀。

  晶间腐蚀是沿晶粒界面所产生的局部腐蚀，受焊接使用的高温Cr₂₃C₆在晶界析出，而在其近旁的贫铬部位产加热，铬碳化物产生选择性的腐蚀。

  晶间腐蚀是在结晶粒界进行的局部腐蚀。腐蚀在内部进行时会使结晶颗粒纷纷脱落。不锈钢管的基体是铁中含有铬的合金，而碳和铬具有易结合的性质，在高温加热时，碳化铬（Cr₂₃C₆）在结晶粒界上析出，使这个碳化铬的周围变成“贫铬”状态。根据环境情况，在“贫铬”的部位，有选择性地被腐蚀，称为晶间腐蚀，如图3-5所示。

  焊接时，在热影响区引起碳化铬在结晶粒界上析出，称为敏化。碳化铬析出后，在其近旁的结晶粒界上的铬含量“被减少”，在碳化物近旁其含铬量有可能“贫”到临界含铬量以下。由于结晶粒内部铬的扩散，使“贫铬”部位得到铬的补充。只是在碳化物近旁，因铬含量减少到不能保持耐腐蚀性，就会发生晶间腐蚀。

  敏化可用加热温度和加热时间的关系（TTS曲线）来表示。奥氏体型不锈钢的代表钢种06Cr19Ni10（304）的敏化情况如图3-6所示。敏化的温度区域在550～800℃，在这个温度区间加热时间过长或从高温缓慢地冷下来也会发生敏化。

  铁素体型的不锈钢管和奥氏体系列不锈钢管不同的是，从850℃以上开始冷却时，容易造成晶间腐蚀。这是因为碳化铬及氮化物析出非常迅速的缘故。铁素体中，铬的扩散比奥氏体中铬的扩散要快。所以如果在碳化铬析出温度区域上短时间加热，或者是从高温缓慢地冷却下来，在“贫铬”部位上，铬能很快得到补充，使用时就不会产生结晶粒界腐蚀。为了防止结晶粒界腐蚀，通常采取下述三项措施。

  ①. 固溶化热处理时急剧冷却，以抑制碳化铬的析出。

   ②. 降低碳含量（选取钢种的0.030%)。[C]≤0.030%

   ③. 添加钛（Ti）或铌（Nb）：钛或铌和碳的结合力，比铬和碳的结合力强，易在颗粒内部均匀析出碳化钛或碳化铌，由此抑制碳化铬在晶界下的析出。