汽车排气管尾管铁素体不锈钢晶间腐蚀评价方法研究

骆汉英，王志敏，林辰，姚文斌，岑裕锋

（威凯检测技术有限公司，广州 510300）

前言

近几年，我国汽车工业快速发展。高速发展的产量对汽车用钢提出了更高的要求，其中也包括了不锈钢材料。随着汽车尾气排放等级化以及为实现节能而开展的汽车减重等要求的进一步提高，传统排气系统用铸造金属和镀铝碳钢材料已经不能满足要求，因此高性能的不锈钢材料将迎来广泛应用空间。到目前为止，不锈钢在国内汽车领域的应用主要为乘用车的排气系统以及汽车内外的装饰部件。

铁素体不锈钢在常温和高温下均以体心立方晶间结构的固溶体形式存在。它的铬含量大于11～30 %之间，一般不含镍，有时含有少量的钼、铌和钛等合金元素。铁素体不锈钢可以根据铬含量分为低铬、中铬和高铬三类。低铬铁素体409 不锈钢因为兼具经济性和实用性的优点，使用最广泛，使用量约占整个汽车排气系统的50～60 %；中铬铁素体不锈钢436 因添加合金元素Mo其耐蚀性得到进一步提高；439 又因具备比409 更好的耐蚀性以及比436 更低的制造成本，受到主机厂青睐［1］。为了进一步降低材料成本，汽车主机厂和零部件供应商对于国产钢材的进口替代需求不断提高，但是这些材料需要通过第三方机构进行应用验证，证明可以达到（或超过）进口材料性能后方可纳入供应商管理，采购、使用。

1 国内外晶间腐蚀试验方法的研究现状

不锈钢的晶间腐蚀是最危险的腐蚀失效形式之一，通常是指发生在特定的腐蚀介质（如强氧化性的酸）和条件下，沿着晶界所发生的一种电化学腐蚀现象。虽然铁素体不锈钢拥有价格低廉的成本优势，但因其耐晶间腐蚀性能较差，且腐蚀敏感性与铬镍奥氏体不锈钢还存在较大的差异。

目前供不锈钢生产、交货和验收的有关检验晶间腐蚀倾向的试验方法，而且绝大多数限于奥氏体不锈钢。晶间腐蚀试验方法基本有五种，分别是草酸电解浸蚀法、沸腾硫酸硫酸铁法、沸腾65 %硝酸法、硝酸-氢氟酸法和沸腾硫酸-硫酸铜法[2]。

表1是常用的晶间腐蚀使用标准，其中美标ASTM A763-2015[3]是铁素体不锈钢的专用评价标准，但从该标准的表1 的试验方法应用分类可知，该标准主要的试验方法对中铬和高铬的铁素体不锈钢适用，对于低铬铁素体不锈钢如409 则没有相应的试验方法。由于低铬铁素体不锈钢含铬低，均匀腐蚀严重，如果采用ASTM A763的X 法和Y 法进行晶间腐蚀敏感性试验时，必定会发生严重的均匀腐蚀而导致试验结果不科学，因此低铬铁素体不适用此方法进行检验；另因铁素体不锈钢的室温下的韧性较差，使用Z 法，则无法采用弯曲的方法来评定晶间腐蚀敏感性；而W 法“10%草酸浸蚀试验方法”虽然可用于低铬铁素体不锈钢晶间腐蚀性能的测定，但一般只作为试验前的筛选方法。日本JIS G0575-1999[4]选用“铜—硫酸铜-16 %硫酸”浸泡方法，对应AST A763 的Z 方法，适用范围为奥氏体、铁素体、双相不锈钢。国标 GB/T 4334-2020[5]适用于检验奥氏体不锈钢及铁素体—奥氏体双相不锈钢的晶间腐蚀倾向，试验方法分A～F 六种方法，其中方法A、B、E 对应AST A763 的W、X、Z 方法。国标GB/T 32571-2016[6]适用范围为高铬铁素体不锈钢，试验方法与ASTM A763 一致。

表1 常用晶间腐蚀试验标准及适用范围

无论是美标ASTM A763、日本JIS G0575 和国标GB/T 4334-2020，通常试件需要弯曲到 180 °，然后观察弯曲表面开裂情况。如果表面上没有肉眼可见的细小裂纹，则表明材料满足晶粒间腐蚀试验设定标准的要求。

随着不锈钢冶炼工艺的提升，超低碳不锈钢的成本显著下降，低碳不锈钢的晶间腐蚀，很难用肉眼观察，为此金相显微观察更能准确判断材质的晶间腐蚀敏感性。

对于低铬铁素体不锈钢如409，如果采用ASTM A763 的Z 法“16 %硫酸-硫酸铜-铜试验方法”则不适合。可以通过降低硫酸浓度或者减少浸泡时间的方法作为对低铬铁素体不锈钢的评价方法。2013 年李钊等[7]通过试验研究表明低铬铁素体不锈钢随着硫酸浓度和浸泡时间的增加，不锈钢的晶间腐蚀现象不断加剧。国标GB/T 31935-2015[8]的方法适用于检验在弱氧化性腐蚀介质中的低铬铁素体不锈钢（通常铬含量少于16 %）。试验后通过金相法观察试样断面的晶间腐蚀深度。

2 实验部分

2.1 晶间腐蚀试验方案

根据现有的铁素体不锈钢晶间腐蚀的评价方法，高铬铁素体不锈钢评价方法可以参考ASTM A763 和GB/T 3257-2016 的对应方法，中铬铁素体不锈钢的评价方法是参考“沸腾的铜-硫酸铜—16 %硫酸溶液腐蚀试验方法”。低铬铁素体不锈钢相比于中高铬铁素体不锈钢，晶粒含铬量低，通过降低硫酸浓度或者减少浸泡时间的方法作为对低铬铁素体不锈钢的评价方法。因此本方案中，低铬铁素体409 采用GB/T 31935-2015 试验溶液“铜—24 %硫酸铜—0.5 %硫酸”进行化学浸泡试验，中铬铁素体436、439 采用JIS G0575-1999 试验溶液“铜-硫酸铜—16 %硫酸”进行，试验条件参数如表2 所示。

表2 晶间腐蚀试验条件参数

2.2 试验过程

试验用的材料为409、436 和439 三种铁素体不锈钢板，样品尺寸为80 mm*50 mm*1.2 mm，焊缝位于中间。模拟成品实际状态即焊接后裁样，无需敏化处理。样品经过除油、打磨处理、酒精风干后进行浸泡试验。试验结束后取出试样，用清水冲洗后再用滤纸吸干表面水分，干燥后裁切成合适的尺寸，见图1。然后对试件进行清洗、镶嵌、研磨抛光或化学侵蚀，最后采用LeicaDM6000M正置式金相显微镜对截面进行显微观察。

图1 单焊缝取样方式

2.3 实验结果及现象

2.3.1 实验结果

在实验室完成试验后，对各钢种的试件进行宏观、微观形貌观察（见图2～图7）以及结果判定（见表3）。低铬铁素体不锈钢409 经过16 h“铜—24 %硫酸铜—0.5 %硫酸”浸泡试验后，表面出现严重的腐蚀发黑现象，见图2（b）、图3（b），即出现均匀腐蚀，表明低铬铁素体不锈钢耐均匀腐蚀性能较差，本次的试验结论与相关研究结论一致；在100 倍金相显微镜下均观察到晶间腐蚀裂纹从焊缝处发生，热影响区有较明显的晶粒粗化现象，无晶间腐蚀。其中进口409 的最大晶间腐蚀深度超过国产409 产生的裂纹，见图2（c）、图3（c），结果表明低铬铁素体不锈钢409具有晶间腐蚀敏感性倾向。

图2 国产409 晶间腐蚀情况

图3 进口409 晶间腐蚀情况

图7 进口439 晶间腐蚀情况

表3 各钢种试件的晶间腐蚀结果

中铬铁素体不锈钢436 和439 在经过16 h“铜-硫酸铜—16 %硫酸”浸泡试验后，腐蚀不明显，焊缝区和热影响区均未出现明显氧化现象，见图4～7 的图b；此外在100 倍金相显微镜下均未观察到晶间腐蚀裂纹，热影响区有较明显的晶粒粗化现象，无晶间腐蚀，见图4～7 的图c，结果表明中铬铁素体不锈钢436 和439具有较优异的抗晶间腐蚀敏感性。

图4 国产436 晶间腐蚀情况

2.3.2 讨论与分析

低铬铁素体不锈钢409 在降低硫酸浓度“铜—24 %硫酸铜—0.5 %硫酸溶液”微沸浸泡试验后，整个金属表面出现严重发黑现象，发生均匀腐蚀，与409 不锈钢本身含Cr 量少而导致耐腐蚀性能较差相关；在金相显微镜下观察到裂纹从焊缝处发生，热影响区有较明显的晶粒粗化现象，无晶间腐蚀。通过试验结果可以看出，国产材料409 相比进口材料409 出现的晶间裂纹较为轻微，其耐晶间敏感性优于进口材料。

中铬铁素体不锈钢436 和439 两种钢种在“铜-硫酸铜—16 %硫酸溶液”微沸浸泡后，热影响区和焊缝区均出现非常轻微腐蚀变色，在金相显微镜下观察未发现晶间腐蚀裂纹；热影响区有较明显的晶粒粗化现象，无晶间腐蚀。通过试验结果对比，436 和439 的国产材料与进口同牌号钢种的晶间敏感性相当。

晶间腐蚀作为汽车排气系统失效形式之一，其材料的晶间腐蚀验证十分必要。通过上述对比试验，国产409、436、439 与进口同牌号材料均表现出优于或相当的耐晶间腐蚀性能，满足替代材料耐晶间腐蚀性能要求。

图5 进口436 晶间腐蚀情况

图6 国产439 晶间腐蚀情况

3 结论

1）铁素体不锈钢存在晶间腐蚀倾向，特别是低铬铁素体不锈钢，按降低硫酸浓度GB/T 31935-2015 进行晶间腐蚀敏感性检测时，该方法适合低铬不锈钢409 的晶间腐蚀敏感性检测。低铬铁素体409 不锈钢容易出现均匀腐蚀，且两款材料均出现晶间腐蚀倾向，其中国产409 的耐晶间敏感性优于进口材料。

2）中铬铁素体不锈钢436 和439 在“铜-硫酸铜—16 %硫酸溶液”微沸浸泡后，在100 倍的金相显微镜下观察，国产材料与进口材料均未观察到晶间腐蚀，两者的耐晶间腐蚀敏感性相当。

3）通过试验对比分析，国产409、436、439 与进口材料409、436、439 的耐晶间腐蚀敏感性优于或相当，经试验验证，可以作为进口材料替代使用。