304奥氏体不锈钢晶间腐蚀的研究及防护

张晶莹

（广西工业职业技术学院，广西 南宁 530001）

304奥氏体不锈钢是应用最为广泛的一种Cr-Ni不锈钢，具有良好的耐蚀性、耐热性、机械特性及良好的加工性能和可焊性，被广泛应用于石油化工、冶金机械、家庭用品、建材、食品工业等。为了保持不锈钢所固有的耐腐蚀性，钢中必须含有18%以上的Cr和8%以上的Ni含量，所以也叫做18-8不锈钢。

1 304不锈钢腐蚀机理分析

1.1 晶间腐蚀的基本概念

晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中，沿着材料的晶界发生的一种局部腐蚀。晶间腐蚀的产生，主要是由于晶粒表面和内部间化学成分的差异，以及晶界杂质或内应力的存在而引起的。晶间腐蚀，破坏了晶粒之间的结合，大大降低金属的机械强度。而且腐蚀发生后，金属和合金的表面仍保持一定的金属光泽，看不出已被破坏的痕迹，但晶粒间结合力显著减弱，力学性能恶化,不能经受敲击，金属强度完全丧失，导致设备突发性破坏，因此是一种很危险的腐蚀。

1.2 晶间腐蚀的形成

奥氏体不锈钢的主要合金成分是Cr和Ni。

Cr与Ni在不锈钢中作用：Cr是不锈钢的主加元素，每种不锈钢Cr的含量都必须大于13%。

Cr之所以成为决定不锈钢性能的主要元素，根本的原因是向钢中加入13%以上的铬元素以后，钢表面自动形成一种非常薄的、无色、透明且非常光滑的一层富铬的氧化物膜（即钝化膜），这层膜的形成，大大缓解了钢的氧化，从而提高了钢的耐腐蚀性能。

Ni与Cr配合，在不锈钢中发挥重要作用。Ni在不锈钢中的主要作用，在于其改变了钢的晶体结构。在不锈钢中增加Ni的一个主要原因，就是形成奥氏体晶体结构，从而改善和加强Cr的钝化机理，其抗晶间腐蚀能力得到提高。

引起不锈钢晶间腐蚀的原因在于：不锈钢中的C在奥氏体里的固溶度，会随着温度的升高而增加，加热至500～700℃时，钢中的C在奥氏体里的平均固溶度不超过0.01%。奥氏体不锈钢经固溶处理快速冷却后，奥氏体中的碳处于过饱和状态，在晶界中析出新相，造成晶界附近Cr成分贫乏化，当这种钢在425～815℃回火过程中（又称“敏化温度区”）受热时，奥氏体中过饱和的碳，会迅速地向晶界扩散，在晶界上，碳消耗了晶界周围的Cr，与Cr形成Cr23C6碳化物，并在晶界沉淀析出。由于Cr的扩散速度太慢而得不到及时的补充，结果在晶界周围形成严重的贫Cr区，并且造成最邻近的区域Cr贫化，使得这些区域对腐蚀敏感。当贫Cr区的含Cr量低于13%时,钢的基体就会丧失抗腐蚀能力而产生晶间腐蚀。由此可见，晶间腐蚀产生的根本原因，是由于晶粒边界形成贫Cr区造成的。

2 304不锈钢腐蚀的影响因素

2.1 化学成分的影响

（1）C元素的影响。C的含量是影响304不锈钢晶间腐蚀最主要的因素。304不锈钢抗晶间腐蚀的能力，会随着C的含量降低而提高。C质量分数最好控制在低于0.08%，这时晶界中能够析出C的数量较少。在晶界形成Cr23C6碳化物机会就会随之减少，结果不易在晶界处形成“贫铬区”。如果C的质量分数超过0.08%，产生晶间腐蚀的倾向就会大大增加。现在国内外的设备中，重要的零部件大多采用超低碳的奥氏体不锈钢，取得了很好的抗晶间腐蚀效果。

（2）Cr元素的影响。在奥氏体不锈钢中，Cr含量的增加，在低敏化温度区会加速晶间腐蚀；在高敏化温度区，则会延长产生晶间腐蚀的时间。一般认为在低于550℃是受Cr的扩散控制，高于此温度时，受碳化物的生成速度控制。因此，在温度低时，低C不锈钢也易于敏化，一般来说，奥氏体不锈钢中Cr的含量应超过13%，如果更低，则会严重降低抗晶间腐蚀的能力。

（3）Ni元素的影响。在不锈钢中加入Ni，使钢获得完全奥氏体组织，当钢中含有0.1%的C和18%的Cr时，所需的最低Ni含量约为8%，这便是18-8铬镍奥氏体不锈钢的基本成分。奥氏体不锈钢中，随着Ni含量的增加，残余的铁素体可完全消除，使钢本身没有形成微电池的能力，这也是避免不锈钢被腐蚀的主要原因。但是Ni含量的增加，会降低C在奥氏体不锈钢中的溶解度，从而使碳化物（Cr23C6）析出倾向增强，所以Ni含量的增加，会增大晶间腐蚀的敏感性。

（4）Ti、Nb元素的影响。如在不锈钢中的加入Ti、Nb等与C的结合能力比Cr更强的元素，能够与C结合合成稳定的碳化物，可以避免在奥氏体中形成贫铬区。Ti是强碳化物形成元素，可形成稳定的TiC，其作用可降低基体的含C量，稳定Cr含量，还可细化晶粒，最主要的作用是使钢中的C优先与Ti形成稳定TiC合金碳化物，而无法形成Cr的碳化物，避免出现晶界贫铬，增强晶间抗蚀能力。从上可知，通过添加这些元素，可以减少晶间腐蚀的产生。

2.2 热处理工艺的影响

（1）固溶处理。为了保证304不锈钢具有最好的耐蚀性，必须使其具有单相奥氏体组织，因此对304不锈钢进行固溶化处理。固溶处理，就是将奥氏体不锈钢加热到1 100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，C固溶于奥氏体中，然后快速冷却至室温，使C达到过饱和状态（C已经稳定了，没有能力和机会与Cr形成高铬碳化物），强化固溶体，并提高韧性及抗腐蚀性能，消除应力与软化，以便继续加工或成型，这样就不会在晶界处形成“贫铬区”，也就会降低发生晶间腐蚀的几率。

不锈钢在加热过程中，在敏化温度区停留时间越短，发生晶间腐蚀的机会越小。经过固溶处理后，钢中碳化物全部溶于奥氏体组织，然后采取水淬快冷，不让奥氏体在冷却过程中有析出或发生相变。这样，在室温状态下，可以获得单相奥氏体组织，消除晶间腐蚀倾向。固溶化处理技术条件是：加热到850～900℃，保温 6 h，随炉冷却。

（2）稳定化处理。稳定化处理通常为固溶处理的后续处理工艺。一般针对含Ti、Nb的钢种。将这种钢再加热到850℃～900℃保温一定时间，在该温度下Cr23C6几乎全部溶解，而TiC、NbC只是部分溶解。而后缓冷，在冷却过程中，钢中的C充分地与Ti、Nb等结合，而析出TiC、NbC，而不析出Cr23C6。从而提高抗晶间腐蚀性能。如果不进行稳定化处理，在敏化温度区间（450～850℃），Cr23C6依然会优先沉淀出来。这就是稳定化处理的必要性。对304不锈钢其稳定化处理的工艺条件为：将工件加热到850～900℃，保温足够长的时间，快速冷却。

3 不锈钢晶间腐蚀的防止措施

3.1 选用低碳和超低碳不锈钢

避免形成Cr的碳化物，使晶间腐蚀敏感性降低到最小值。试验表明，C的质量分数要降低到0.03%以下（所谓超低碳不锈钢），便可避免晶间腐蚀，才能在最危险的敏化温度下加热1 000 h，而不产生晶间腐蚀。降低不锈钢中的C含量，这是防止不锈钢晶间腐蚀的最重要的措施。

3.2 添加Ti、Nb等合金元素

不锈钢中加入钛或铌的目的是为了防止晶间腐蚀。钛和铌都是强碳化物形成元素，它们是作为形成稳定的碳化物，从而防止晶间腐蚀而加入不锈钢中的。

一般认为，晶间腐蚀是C从饱和的奥氏体中以Cr23C6形态析出，造成晶界处奥氏体贫Cr所致。防止晶界贫Cr，是防止晶间腐蚀的有效方法。将各种元素按与C的亲和力大小排列，顺序为：Ti、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn。

Ti和Nb与C的亲和力都比Cr大，把它们加入钢中后，C优先与它们结合生成TiC和NbC，这样就避免了析出Cr23C6而造成晶界贫铬，从而有效防止晶间腐蚀。

3.3 固溶淬火处理

固溶淬火处理，就是把钢加热至950～1150℃左右，保温一段时间，使碳化物和各种合金元素充分均匀地溶解于奥氏体中，然后快速淬火冷却，碳及其他合金元素来来不及析出或少量析出，从而起到防止晶间腐蚀的作用。

4 结束语

C的含量，是影响奥氏体不锈钢晶间腐蚀的最主要因素，不锈钢中C的含量小于0.03%，晶间腐蚀敏感性大大降低，其敏感性随C含量的增加而增加；

采用超低C的不锈钢时，减少钢中杂质的含量和固溶处理，是控制奥氏体不锈钢晶间腐蚀主要的、最有效的措施；

通过固溶后的稳定化处理，可以显著提高304奥氏体不锈钢的耐蚀性能；

适当提高固溶温度至1 100℃,再经850～900℃保温的稳定化处理，能发挥稳定化提高抗晶间腐蚀性能的有效作用。固溶温度低于950℃，稳定化效果不显著。

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