铁素体不锈钢晶间腐蚀问题的探讨

2015-08-15万章

石油化工腐蚀与防护 2015年4期

万章

(1.合肥通用机械研究院，安徽合肥230031 ;2.国家压力容器与管道安全工程技术研究中心，安徽合肥 230031)

近年来，不锈钢原材料尤其是镍资源价格大幅上涨，极大推动了低镍，无镍的铁素体不锈钢的应用。铁素体不锈钢具有价廉、优良的耐氯化物应力腐蚀、耐海水局部腐蚀和抗氧化性能，但其室温、低温韧性差，缺口敏感性高，焊接性能较差，有一定的晶间腐蚀敏感性［1-3］，也带来不少应用问题。本文就铁素体不锈钢晶间腐蚀问题作相关探讨。

1 铁素体不锈钢晶间腐蚀机理

铁素体不锈钢以铬作为主要耐蚀合金元素，其Cr 质量分数为10%～30%，有的牌号还加入不超过5%的钼作为补充耐蚀合金元素，一般也只有铬质量分数大于16%的铁素体不锈钢才存在晶间腐蚀问题。铁素体不锈钢晶间腐蚀的机理有多种，包括贫铬理论、亚稳沉淀相理论、亚稳沉淀相溶解理论、沉淀相应力理论、腐蚀电化学理论［4-5］。目前贫铬理论占主导［6-8］。跟奥氏体不锈钢相比，铁素体不锈钢发生晶间腐蚀过程中也有高铬相的析出和贫铬区的产生，但二者在机理上却存在着很大的差别。

1.1 碳化物和氮化物析出

在铁素体不锈钢中，碳和氮对其晶间腐蚀敏感性起着及其重要的作用，且在铁素体中的溶解度很低，要比在奥氏体的溶解度低得多。由于铁素体的晶体点阵密排度较低，因此合金元素在铁素体中的扩散速度要比在奥氏体中大得多。铁素体不锈钢在高于900～950 ℃高温加热后，在随后的冷却过程中，即使冷却很快，也常常难防止高铬的碳、氮化物沿晶界析出并形成贫铬区。铁素体不锈钢中形成的碳化物主要是(Cr·Fe)23C6和(Cr·Fe)7C3。形成的氮化物主要是CrN 和CrN2。温度在750～870 ℃，铁素体中的铬仍有足够的速度向晶界扩散并使是贫铬区的贫铬化程度降低和消失。因此铬质量分数16%～20%的铁素体不锈钢在780～850 ℃退火处理(空冷或快冷)，可以降低和消除铁素体不锈钢的晶间腐蚀敏感性。但在500～700 ℃内，钢中铬的扩散速度减小，短期内无法使贫铬区消失，因而在冷却过程中通过500～700 ℃温度区时，不能降低和消除晶间腐蚀敏感性。

1.2 σ 相的析出

铁素体不锈钢析出σ 相的倾向要比奥氏体不锈钢强得多，在500～925 ℃内会析出较多量σ相与其他金属间化合物，σ 相的铬含量远高于钢的平均铬含量。高铬相的晶界析出也会产生贫铬区，导致产生晶间腐蚀敏感性。

1.3 475 ℃脆性

铁素体不锈钢中碳和氮含量较高时，钢从900 ℃以上高温快冷，钢中的少量奥氏体会转变为马氏体，也会提高晶间腐蚀敏感性。400～500 ℃温度长期保持会析出富铬的α'相，其铬质量分数可达61%～83%，α'相的析出会使钢在硝酸中的耐蚀性下降。α'相析出引起的脆性一般称为475 ℃脆性，加热到550 ℃以上α'相可溶解。温军国［9］的研究也证实了475℃脆性现象。

铁素体不锈钢因在特定的温度下具有碳化物、氮化物、σ 相的析出及475 ℃脆性的特点，都在某种程度上增加其晶间腐蚀敏感性，铁素体不锈钢晶间腐蚀敏感性是其内在因素决定的。

2 铁素体不锈钢的影响因素

2.1 化学成分的影响

铁素体不锈钢的晶间腐蚀敏感性随铬含量的升高而降低。钼元素对提高局部腐蚀抗力的效力约为铬的3.3 倍［10］，加入钼可以提高在有机酸和还原性介质中的耐蚀性，但加入钼也会促使σ相、α'相等金属间化合物的析出，因而加入量一般不超过4%。

降低碳和氮的含量，可降低碳化物和氮化物的析出，减轻了贫铬区的贫铬程度，从而起到降低晶间腐蚀敏感性。

由于钛和铌与钢中的碳和氮亲和力很强，超过铬与钢中碳与氮的亲和力，因而在钢中加入钛和铌［11］，可以作为稳定化元素形成钛和铌的碳化物和氮化物而抑制钢中铬的碳、氮化物的形成，从而提高铁素体不锈钢的耐晶间腐蚀敏感性。刘天模［12］研究表明钛元素的引入，消除了钢中的C 和N 间隙原子，抑制了珠光体组织的生成，净化了铁素体晶界，提高了铁素体组织的均匀性，使其耐腐蚀性能显著提高。

2.2 状态的影响

刘春明［13］研究表明固溶在基体中的碳能够抑制富Cr 区的形成，推迟475 ℃脆性的发生。对于非稳定化铁素体不锈钢，由于碳、氮在基体中的溶解度很低，碳、氮、铬元素的扩散速度又很快，从高温到900 ℃以上的温度，即使冷却速度很快，晶间也会充分析出碳化铬和氮化铬，并形成贫铬区，产生了晶间腐蚀敏感性。这种晶间腐蚀敏感性一般比奥氏体不锈钢高。在随后冷却到700 ℃以上的温度区域，并不是继续析出碳化铬和氮化铬，因其早已充分析出，而是基体中的铬向相贫铬区扩散，会降低和消除贫铬区，并降低该区域晶间腐蚀敏感性。如果在这个温度区域保持时间较长，会消除晶间腐蚀敏感性。在700 ℃以下的温度，铬的扩散已很困难，不能再起降低和消除贫铬区的作用。故为了获得良好的耐晶间腐蚀性能，铁素体不锈钢的供货状态应为退火处理状态。