奥氏体不锈钢品质质量根源剖析

令彦鸿

摘 要：不锈钢是无磁或弱磁性金属，具有清脆的声音和美观的外表，因其良好的耐蚀性和成型性，被广泛运用于需要防腐或清洁的工程建筑、生活用品或装饰等各种行业，运用呈向阳趋势，特别是奥氏体不锈钢，但其包括锈蚀、氧化皮、加工硬化等在内的品质质量缺陷一直是行业所关注的焦点。

关键词：奥氏体不锈钢;工艺缺陷;固溶处理;酸洗钝化;品质质量

【中图分类号】TG172.19  【文献标识码】A 【文章编号】1674-3733（2020）18-0154-03

1 引言

包括不锈钢在内暴露在腐蚀介质或如划伤、飞溅、割渣等诱因环境中的金属，都会因发生化学反应、电化学反应或应力集中等因素导致不同程度地被腐蚀。而不锈钢之所以耐腐蚀是因为其披了一层1-10 um左右的钝化膜外衣，但在耐腐蚀能力弱的部位会因自激反应而形成点蚀反应，生成小孔，点腐蚀。而且在一定条件下腐蚀速度相当快，尤其是点腐蚀和缝腐蚀。因此，如何改进制造工艺、取舍工艺参数，以消除工艺缺陷、提高抗腐蚀能力，取得所需的机械性能和良好的外观是本文的剖析课题。

2 化学成分决定了钢的耐腐蚀潜质

在某个领域能表现出良好抗蚀性性能的钢叫不锈钢，分不锈钢和耐酸钢两大块，能抵抗大气腐蚀的叫不锈钢，能抵抗化学腐蚀的叫耐酸钢。目前约有一百多种不锈钢，每种不锈钢在其特定的区域具有不同的特质属性。

不锈钢耐蚀性性能与含碳（C）量成反比趋势，大多数不锈钢含碳量在1.2%以下，超低碳不锈钢含碳量在0.03%以下，如00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr18Ni14Mo2Cu2。

不锈钢耐蚀性性能与含铬（Cr）成正比趋势，当铬含量达到一定比例时钢就表现出了耐腐蚀属性，不锈钢含铬量普遍都在12%以上，如1Cr18Ni9含铬量在17-19%之间，0Cr19Ni9含铬量在18-20%之间。

铬是银白色有光泽的金属（见下图），密度7.20g/cm3，不溶于水，具有很好的耐腐蚀性和延展性，在空气中即使是在高温下也能表现出了良好的耐腐蚀特质。

3 置换隔离是不锈钢耐腐蚀的根源

金属生锈是铁原子与大气中氧原子发生氧化作用后，在金属表面形成疏松且易剥落的如Fe2+、Fe3+富铁氧化物所致。当金属中含铬量达到12%以上时，金属表面会形成一层约2×10-6-5×10-6mm厚的坚固细密而稳定，无色、透明且非常光滑的富铬氧化膜，使铁原子与大气中的氧原子处于隔离状态，阻止了富铁氧化物的形成，表现出了耐腐蚀性。一旦这层富铬氧化膜（钝化膜）受到破坏，氧原子就会把金属中的铁原子析离出来形成富铁氧化物而生锈。

4 奥氏体不锈钢及其组织结构特点

不锈钢组织分为马氏体、铁素体、奥氏体、奥氏体-铁素体（双相体），奥氏体不锈钢因其具有良好的塑性、韧性、焊接性，以及在氧化性和还原性介质中表现出良好的耐蚀性能运用尤为突出。

奥氏体不锈钢约含0.1%的C、18%的Cr、8%-25%的Ni及少量的Mo、Ti、N等元素，用200和300系列的数字标示其牌号，常用牌号有201（1Cr17Mn6Ni5N）、304/18-8（06Cr19Ni10）、304L （022Cr19Ni10）、316 （0Cr17Ni12Mo2）、316L （022Cr17Ni12Mo2）等。

奥氏体组织是面心立方结构，在一个立方体中，铁原子占据立方体的8个角（8×1/8=1），碳原子占据立方体六个面的中心（1/2×6=3）（见图中右图）;铁素体组织

是体心立方结构，铁原子占据立方体的8个角（8×1/8=1），碳原子占据立方体的正中心（见图中左图）。可以看出，相對于68%的体积被碳原子所占据的铁素体晶体来讲，奥氏体金属晶体中有74%的体积被碳原子所占据，含碳量较高。

5 制造工艺导致的组织及性能改变

5.1 拔轧使钢呈现出各向异性

钢材的拔轧变形实际上是内部晶粒变化的表现，即晶粒在拔制方向上被拉长。在变形量较大的情况下，表现出现明显的纤维组织（见下图 ），使钢呈现出各向异性。

5.2 塑变使晶格紊乱或出现亚晶

冷拔轧变形使钢内部产生大量的位错和空位，并使原子在晶格中偏离其平衡位置，即晶格发生畸变和紊乱，有些晶粒甚至被压碎成许多小晶粒（称之为碎晶或亚晶）。

5.3 塑变使晶格出现变形织构

当冷拔变形量很大时，钢内各晶粒的取向会趋于一致，这种变形使晶粒具有择优取向的组织叫做“变形织构”（见下图），其特征是各个晶粒的某一晶向与拔制力方向平行或接近平行。

5.4 冷拔产生加工硬化缺陷

钢被冷拔冷轧时，外力压缩晶格使原子间距缩小，压缩可能压缩的原子间隙，局部晶格扭曲，会产生形变马氏体，从而产生加工硬化。为消除加工硬化必须进行固溶处理。

6 固溶处理目的及其参数的科学平衡

6.1 固溶处理及目的

将奥氏体不锈钢加热到1050—1150℃之间（具体温度可根据钢的需求性能而定），使碳化物全部或基本溶解，让碳固溶于奥氏体中，然后快速水冷（细薄件也可空冷）至室温，使碳达到过饱和状态。这种热处理方法为固溶热处理，也称固溶淬火（见下示意图）。

固溶淬火与普通淬火是不同的，前者是软化处理，后者是硬化处理，后者的加热温度低于1100℃。

奥氏体不锈钢中含有8%以上的镍，镍的原子量是58.71比铁原子量55.847大，镍原子置换铁原子后，把奥氏体晶格撑大。当用水快速冷却时，碳原子来不及析出被固定在奥氏体晶格内，这就是固溶处理。固溶处理使碳原子不在晶界析出而避免生成碳化铬，避免晶界铬贫化，富铬与氧形成的富铬氧化膜隔离了铁原子与氧原子的氧化结合而避免了晶间腐蚀。同时，因晶界上减少了碳化物使金属变形减少了阻碍，可提高10%左右的延伸率，使不锈钢获得了良好的柔韧性。

固溶处理消除了制造工艺产生的应力，同时再结晶获得了适宜的晶粒度，提高了钢的高温抗蠕变性能。

6.2 固溶处理参数的科学平衡

固溶处理最常用的温度大约是1100℃，具体温度的确定主要根据各个合金中相析出和溶解规律及性能需求来选择。固溶处理时应缓慢加热到400℃以减少内应力，然后快速从400℃升温到900℃左右以避免更多的碳化物析出，然后再加热到1100℃（见示意图）。之所以快速从400℃升温到900℃左右，是因为碳化物析出的敏化温度在450-850°C之间，在600-700°C析出较多，650°C左右析出最多。

对于长期高温使用的合金，要求有较好的延伸率和耐腐蚀性能，应选择较高的固溶温度以获得较大的晶粒度。但如果固溶温度过高，却增加了外表氧化皮厚度，加重了酸洗负担，影响了外观品质，如线型、片状氧化皮脱落导致的线性缺陷、点状锈蚀，氧化皮残留黑点，以及不得不打磨氧化皮的修磨痕迹等等（见下图）。

对于中温使用并要求有较好的室温硬度、拉伸强度、屈服强度、冲击韧性和疲劳强度的合金，可采用较低的固溶温度，保证较小的晶粒度。当然，如果固溶温度不够或保温时间不够，晶界中的碳原子未完全溶入奥氏体，在晶界生成碳化铬，导致晶界铬贫，将会降低钢的抗腐蚀性和柔韧性。

如果缓慢冷却，碳从奥氏体晶粒中析出到晶界和铬形成碳化铬，阻碍了金属变形使不锈钢硬度上升。因为碳化物固溶后再析出的敏化温度在450-850°C之间，在600-700°C析出較多，650°C左右析出最多，所以保温后必须急速冷却到300°C以下，才能使碳化物过饱和固溶的奥氏体保持到室温。另外，晶界碳化铬的形成，造成晶界贫铬，氧和铁氧化生成疏松的氧化铁导致晶界腐蚀。因此，为达到急速冷却，建议缩短固溶炉和喷水箱间距。

7 奥氏体不锈钢酸洗钝化作用

对不锈钢进行酸洗、钝化以清除各类油污、锈蚀、氧化皮、焊斑等污垢后表面变成均匀银白色，可大幅度提高奥氏体不锈钢的抗腐蚀性能和外观品质。

7.1 酸洗工艺：将钢件浸入酸洗液中，除去钢表面氧化

皮和锈蚀物的方法称为酸洗。酸洗液一般为多种酸的混合物，主要有硫酸、硝酸和氢氟酸等，这些混合酸具有很强的氧化性和较高的腐蚀温度。因此，酸洗生产线从上游生产到下游废水废气回收系统，防腐性能的好坏直接关系到设备、地坪、地沟、废水废气回收系统的正常使用。

酸洗目的之一是为钝化工艺创造条件，保证形成优质的钝化膜。因为通过酸洗使不锈钢表面平均约有10um厚一层被腐蚀掉，酸液的化学活性使得缺陷部位的溶解率比其它部位高，因此酸洗可使整个表面趋于均匀平衡，一些原来容易造成腐蚀的隐患被清除掉了。更重要的是，通过酸洗，使铁与铁的氧化物比铬与铬的氧化物优先溶解，去掉了贫铬层，造成铬在不锈钢表面富集，提高了抗腐蚀的稳定性。

7.2 钝化工艺：钝化是指金属经强氧化剂或电化学方法氧化处理后使表面变为不活泼态，增强了化学稳定性而延缓金属腐蚀速度的过程。金属钝化后，其电极电势向正方向移动，使其失去了原有的特性，如钝化了的铁在铜盐中不能将铜置换出。

钝化的方法分为化学钝化和电化学钝化，用浓HNO3、浓H2SO4、HClO3、K2Cr2O7、KMnO4等氧化剂引起的金属钝化称化学钝化;将铁置于H2SO4溶液中作为阳极，用外加电流使阳极极化，采用一定仪器使铁电位升高一定程度，引起的金属钝化称电化学钝化。不同的钝化处理会影响膜的成份与结构，从而影响不锈性能，如通过电化学改性处理，可使钝化膜具有多层结构，在阻挡层形成CrO3或Cr2 O3或形成玻璃态的氧化膜，使不锈钢发挥最大的耐腐蚀性。

7.3 酸洗钝化：工业上酸洗经常是与钝化结合在一起的，需要酸洗的不锈钢一定要钝化，因为酸洗后表面没有形

成钝化膜或者形成的钝化膜很薄，起不到保护作用，必须增加钝化工艺使不锈钢表面形成满足需求的钝化膜。

8 结语

如果出于成本考虑，购买或降低了含铬、镍较低，含锰量较高的不锈钢坯件，会降低不锈钢的抗锈蚀性能。

如果固溶温度过低，没有使碳化物完全溶解，碳化物将在晶界析出生成碳化铬，使晶界贫铬导致晶间腐蚀。但如果固溶温度过高，外表会残留过热氧化皮，打磨氧化皮会留下打磨痕迹;而且氧化皮的脱落会带走部分金属，使外表出现凹坑、麻点或线性缺陷，同时会使钝化层点状消失导致点锈蚀。

如果酸洗时间不够或酸洗液浓度不够，酸洗不彻底，会在外表残留氧化物形成黑点或污点。

因此，不锈钢制造工艺参数的选择是一个牵一发而动全身的，关系着不锈钢品质质量的权衡工作。虽然，恶虐的不锈钢存储和使用条件是诱发不锈钢腐蚀的一大因素，比如空气、海水、海风、土壤、汗迹、食盐等各种物资中氯离子的广泛存在会加速不锈钢的腐蚀，再如不锈钢表面钝化层被划伤都将导致不锈钢被腐蚀，但刨根来看，外界条件诱发腐蚀是不可避免的，科学的、稳定的制造工艺配方是不易被腐蚀的最根本保障。

参考文献

[1]GB/T 4334-2008《金属和合金的腐蚀 不锈钢晶间腐蚀试验方法》

[2]ASTM A376/A376M-2019《高温作业用奥氏体无缝钢管的标准规范》

[3]HB/Z 83-1984《不锈钢酸洗钝化处理工艺》

[4]GB/T 34484.2-2018《热处理钢 第2部分：淬火及回火合金钢》

[5]中国冶金百科全书《金属材料卷》，北京：冶金工业出版社，2001.

[6]GB/T 7232-2012《金属热处理工艺 术语》