安注箱用复合钢板覆层晶间腐蚀性能改进

2015-04-23段潇

金属加工(热加工) 2015年23期

■段潇

我公司承接了为山东海阳核电厂3号和4号AP1000核电机组生产安注箱用复合钢板的合同后，首先按照采购技术条件要求，生产了各项性能都合格的基板（SA-533 B CL.1）和覆板（SA-304L）；然后完成了复合板制造各工序（结合面除锈、爆炸复合、调质处理、超声波检测等）；随后按采购技术条件的规定切取检验用试样，并对部分试样模拟焊后热处理，检验其各项性能。复合板多项性能检验结果（化学成分、室温拉伸、150℃拉伸、落锤、冲击、剪切强度、结合强度、外弯、侧弯、硬度、晶粒度、非金属夹杂物等）全部合格，只有覆层晶间腐蚀一项检验结果不合格（见图1），最终导致整张复合钢板报废。

1. 晶间腐蚀机理

不锈钢是在大气、淡水等弱腐蚀环境中不易生锈的钢。在特定条件下，不锈钢与腐蚀介质间可能发生电化学作用和化学作用而引起腐蚀。不锈钢的腐蚀按形态可分为全面腐蚀、晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、疲劳腐蚀以及高温腐蚀等。

晶间腐蚀是常见的不锈钢局部腐蚀形式，通常对低碳不锈钢进行的晶间腐蚀检验，实际是检验不锈钢产品是否会在敏化态下产生晶间腐蚀。产生敏化态晶间腐蚀的机理是：不锈钢在经过450～850℃温度时，钢中的碳元素和铬元素易反应生成高铬的Cr23C6型碳化物，且极易沿着晶界产生富铬碳化物析出，导致晶界铬贫化，引起晶界首先产生腐蚀。

2. 影响晶间腐蚀的因素

不锈钢中含碳量越低，就越不易在晶界形成Cr23C6碳化物。因此，一般认为不锈钢中的碳元素含量是影响其铬碳化物析出多少的重要因素，即影响不锈钢是否产生晶间腐蚀的重要因素。与此同时，如果不锈钢在敏化温度（450～850℃）长期停留，即便是wc＜0.03%的超低碳不锈钢，也会生成Cr23C6碳化物，引起较严重的晶界铬贫化，产生晶间腐蚀。

碳元素在不同的处理状态下与不锈钢腐蚀速度的对应关系如图2所示，wc为0.03%的304L不锈钢在敏化态（700℃×10h）下的晶界铬浓度变化如图3所示。

3. 复合板制造工艺技术要求

复合板采购技术条件对覆板碳含量的要求为：wc≤0.03%，同时要求在覆板生产完成后进行晶间腐蚀检验。

技术条件要求对所有复合钢板都应进行调质（淬火+回火）处理：加热到845～980℃内的某一合适温度，并保温足够长的时间使整块钢板温度均匀，然后在水中淬火，随后在合适的温度下对钢板进行回火，保温温度不应低于635℃，保温时间最少为1.2min/mm，且不少于0.5h。

技术条件还要求：复合钢板完成调质处理后，切取性能试样，其中力学性能、金相检验和晶间腐蚀试样应进行模拟焊后热处理。模拟焊后热处理的保温温度为595～620℃，保温时间至少为24h。试样进炉时，炉温不高于425℃，且425℃以上的升温和冷却速率应不超过55℃/h。

4. 复合板制造过程影响晶间腐蚀因素的排查

本次生产的基板与覆板经过各项性能检验，完全满足技术条件的要求。加工成复合板成品后，在性能检验过程中出现了覆层晶间腐蚀检验不合格的现象。从理论上说，覆层不锈钢化学成分、复合板制造过程的各种工艺处理等，都可能造成覆层晶间腐蚀检验不合格，排查分析如下：

（1）覆层碳含量覆层不锈钢wc的熔炼分析结果为0.03%，满足技术条件要求，随后进行晶间腐蚀检验（经过敏化处理），结果合格。因碳含量达到技术条件要求的上限，所以可能是影响覆层抗晶间腐蚀性能的因素之一。

图1 发生晶间腐蚀的试样

图2 含碳量对304L不锈钢耐蚀性的影响

图3 304L不锈钢的晶界铬浓度变化

（2）爆炸复合复合板的爆炸复合工序是利用炸药爆炸时产生的能量，在很短的时间内将覆层钢板紧紧地“压”在基层钢板上。两层钢板的结合面在很小的厚度范围内存在一定的元素相互“渗透”，但不会对两张钢板的基本化学成分和组织结构造成较大影响，所以爆炸复合工序基本不会影响到覆层不锈钢的抗晶间腐蚀性能。

（3）调质处理复合板调质处理需要在900℃保温到钢板温度均匀，然后在水中淬火。随后在650℃的温度中保温70min后随炉冷却。这个过程使得覆层不锈钢板在敏化温度中保持了很长时间，从理论上说会对覆层不锈钢的抗晶间腐蚀性能造成一定的影响。

我们在本次生产的经调质处理的复合钢板上取了一个覆层晶间腐蚀试样，在未经模拟焊后热处理的情况下进行晶间腐蚀检验，在显微镜下观察到腐蚀前后的晶界情况如图4、图5所示。

从图5可见，本次生产的复合钢板经过调质热处理后，已经出现了明显的晶间腐蚀倾向。

（4）试样模拟焊后热处理从复合板上切取的力学性能、金相检验和晶间腐蚀试料需要进行模拟焊后热处理，即在炉温不高于425℃时将试样装入炉内，缓慢升温至605℃左右，保温24h，然后随炉缓慢冷却。这个过程也使覆层不锈钢在敏化温度中保持了24h之久，也会对覆层不锈钢的抗晶间腐蚀性能造成较大影响。

试样经模拟焊后热处理后，进行检验时出现了较严重的晶间腐蚀现象（见图1）。也证实了模拟焊后热处理对覆层不锈钢抗晶间腐蚀性能的影响。

通过上述分析，我们认为：造成本次复合板覆层晶间腐蚀检验不合格的原因是：用来制造复合板的覆层不锈钢板含碳量偏上限，虽然只对覆层进行晶间腐蚀检验时合格，但做成复合板并经过调质处理后，就已经出现了明显的晶界铬贫化，对检验用试样进行模拟焊后热处理进一步加重了覆层不锈钢的晶界铬贫化，最终导致晶间腐蚀检验不合格。

5. 改进措施

想要保证不锈钢覆层晶间腐蚀检验合格，可以采取降低覆层不锈钢碳含量，或减少不锈钢在敏化温度（450～850℃）长期停留的机会。对于本次安注箱用复合钢板的制造来说，为了保证复合钢板的强度、韧性满足使用要求，必须对复合钢板进行调质处理。为了保证复合钢板经过焊接加工成为安注箱后，相关力学性能仍然满足设计要求，必须对力学性能、金相检验和晶间腐蚀试料进行模拟焊后热处理，然后进行相关检验。因此，本次安注箱用复合钢板的制造无法减少复合板覆层不锈钢在敏化温度的长期停留，只能通过降低覆层不锈钢碳含量的方法来保证最终晶间腐蚀检验合格。

相关资料显示（从图2也可看出），当不锈钢的wc＜0.02%时，即使经过长时间敏化处理，晶间腐蚀速度也较慢。所以我们决定，重新冶炼一炉304L不锈钢，控制到wc＜0.018%，力争wc＜0.015%。