ZG0Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢铸件晶间腐蚀裂纹的原因分析

2018-01-15卫心宏张晓晖潘嘉玉

大型铸锻件 2018年1期

卫心宏张晓晖潘嘉玉

(太原重型机械集团有限公司，山西030024)

奥氏体不锈钢在常温下和低温下具有良好的韧性、塑性、焊接性及抗腐蚀性能，因而广泛的应用于石油化工、海工等设备耐腐蚀零件中。我公司生产的大型不锈钢壳体铸件，铸件轮廓尺寸较大，为复杂厚大铸钢件，材质为奥氏体不锈钢ZG0Cr18Ni12Mo2Ti，材质代号316Ti。铸件在固溶处理后，本体附铸试样在进行晶间腐蚀弯曲试验时存在裂纹缺陷。针对存在的晶间腐蚀不合格问题，从材质的化学成分、力学性能、显微组织和缺陷的微观等方面进行了分析，并从改进材质的晶间腐蚀性能方面对生产工艺提出改进措施。

1 晶间腐蚀裂纹情况

ZG0Cr18Ni12Mo2Ti铸件附铸试样和铸件同炉进行固溶处理试验后，加工了两个80 mm×20 mm×3.5 mm的腐蚀试验试样，按GB/T 4334—2008中E法进行不锈钢硫酸-硫酸铜腐蚀试验，试样先进行650℃敏化处理，连续在硫酸-硫酸铜溶液煮沸16 h进行腐蚀试验，然后进行弯曲试验。弯曲试验后发现两个试样都存在缺陷，弯曲试样缺陷部位放大观察，发现弯曲变形区表面存在3条小裂纹，裂纹比较短粗，裂纹呈不规则的断续角状和点状形态，具有明显晶间腐蚀裂纹特征，判定晶间腐蚀不合格。晶间腐蚀试样和腐蚀试样裂纹表面宏观形状见图1和图2。

图1 晶间腐蚀弯曲试样Figure 1 Bending specimen for intergranular corrosion

图2 裂纹表面宏观形状(×10)Figure 2 Macro crack surface shape×10

2 试验分析

2.1 化学成分分析

表1 化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical composition(Mass, %)

(a)晶粒度0级(×50)(b)基体组织:奥氏体(×100)(c)夹杂形态(×50)(d)沿晶网状组织(×100)

图3 试样显微组织分析Figure 3 Micro structure analysis of specimen

图4 晶间腐蚀裂纹形貌分析Figure 4 Morphology analysis of intergranular corrosion crack

对ZG0Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢材质铸件附铸试样进行宏观化学成分分析，结果见表1。从化学成分分析看，其中Al含量较高，化学成分符合标准的要求。

2.2 力学性能分析

铸件附铸试验料的力学性能分析结果见表2。抗伸性能、伸长率、冲击性能等指标都符合标准要求，伸长率和断面收缩合格且较高。加工了一组空白弯曲试样，没有腐蚀，进行弯曲对比试验，试验无裂纹等缺陷产生，说明晶间腐蚀后弯曲试验产生裂纹不是材料塑性低及弯曲造成的裂纹。

2.3 试样显微组织分析

附铸试样取样进行金相分析，见图3。材质的显微组织为奥氏体+岛状及条状铁素体，晶粒度0级，显微组织状态正常。但分析试样显微组织发现，组织不均匀及微观夹杂物较多，并有少量微观铸态疏松存在。在固溶处理时，厚大不锈钢铸件因厚大部位铸造热节较大，冷却速度相对较慢，容易在晶界析出少量的碳化铬等碳化物，导致材质晶间腐蚀性能下降。在材质敏化处理和晶间腐蚀后，弯曲试验时产生开裂缺陷。

2.4 裂纹电镜分析

腐蚀试样弯曲裂纹的形貌分析如图4。裂纹呈不规则断续形态，裂纹内有光滑的自由表面，也有因变形撕裂的断口形态。裂纹能谱定性分析发现裂纹内撕裂断口区有较高Al、O等元素分布，说明晶间腐蚀试样裂纹内有氧化铝类夹杂物存在。另外，断口裂纹内Cr、Ni、Ti等元素的分布为Cr14.61%、Ni6.39%、Ti0.35%，其中Cr明显低于宏观分析的成分范围，表现晶界区贫Cr的分布状态，初步分析这两个原因是造成产生晶间腐蚀裂纹的主要原因。

3 分析讨论

3.1 晶间腐蚀原因分析

(1)ZG0Cr18Ni12Mo2Ti铸件材质增加了碳化物形成元素Ti，固溶处理后能够部分抑制铬碳化物的形成，减轻晶界区贫Cr，从而提高抗晶间腐蚀能力。但由于壳体铸件比较厚大，铸件固溶处理冷却过程中，冷却速度相对较慢及不均匀，钛合金的作用不能充分发挥，在650℃敏化处理时，碳化铬等又会沿晶界析出，晶界容易出现贫Cr区域及腐蚀破坏，而降低材质抗晶界腐蚀能力。

(2)奥氏体不锈钢铸件的抗晶间腐蚀能力一般比轧锻件差，主要是在铸件铸造过程中易产生夹杂、偏析及疏松等，易产生晶间腐蚀。从晶间腐蚀试样分析看，裂纹内有氧化铝类等夹杂物存在，增加材质晶界腐蚀的敏感性，显微夹杂是引起的晶间腐蚀不合格的另一个原因。

3.2 预防改进措施

(1)改进固溶处理工艺，适当提高固溶处理温度(1080℃提高到1120℃)和固溶处理后冷却速度。固溶处理时，晶界Cr的碳化物全部被溶解，部分Ti的碳化物也被溶解并弥散细化，使C重新溶解于奥氏体中，然后快速冷却，使C来不及析出，形成稳定均匀的奥氏体组织，消除晶界处贫Cr组织及不均匀组织，降低材质的晶间腐蚀的敏感性。

(2)增加稳定化处理工艺，固溶处理后再加热到900～930℃进行稳定化处理，这样Ti的碳化物首先从奥氏体中析出，从而阻止碳化铬的析出，进一步避免出现晶界贫Cr组织，提高材质的抗晶界腐蚀性能。稳定化处理是改善ZG0Cr18Ni12Mo2Ti等含Ti不锈钢晶间腐蚀性能的重要措施。

(3)采用以上措施，处理了2套ZG0Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢壳体铸件，晶间腐蚀试验全部合格，理化性能全部达到用户要求。实验表明，大型ZG0Cr18Ni12Mo2Ti不锈钢铸件采用合适的固溶处理工艺、稳定化处理工艺，进一步提高钢水纯净度，控制合适的Al含量，降低P、S等有害元素的含量，是降低材质晶间腐蚀敏感性和防止晶间腐蚀不合格的有效措施。