奥​氏​体​不​锈​钢​及​其​复​合​板​热​加​工​与​敏​化​温​度

发布日期：2014-07-07 08:59:17

　　在不锈钢复合板中,强度由碳素钢承担,耐腐蚀性由不锈钢承担。实际使用中奥氏体不锈钢存在晶间腐蚀问题,而其在敏化温度区停留时会产生晶界贫铬现象,为发生晶间腐蚀留下隐患,因此,对其进行热加工应避开这一区域。笔者将对敏化温度区热加工的可行性进行探讨。

　　1 晶间腐蚀机理晶间腐蚀是因金属晶界上状态(成分、组织或应力)与晶内不同而降低了晶界的化学稳定性,在腐蚀介质作用下晶界遭到破坏的现象。晶间腐蚀速度比一般均匀腐蚀速度快得多,产生晶间腐蚀的金属电阻增加,强度与塑性下降,严重时表面出现龟裂。当晶间腐蚀已经发生时,不锈钢表面仍能保持金属光泽,但会突然间开裂甚至爆炸,危害极大。
晶间腐蚀机理尚未完全研究清楚,对于1828系列奥氏体不锈钢,一般认为是因晶间贫铬造成。当ω(Cr)>13%时,其表面能生成坚硬的Cr2O3薄膜,对内部起保护作用,且金属电位升高,具有抗腐能力。当ω(Cr)<12%时,耐腐蚀能力显著下降。常用的奥氏体不锈钢是固熔态,碳过饱和存在于奥氏体中,温度偏高时,过饱和碳会形成稳定的铬含量较高的Cr7C3及Cr23C13等,它们析出会带出大量铬离子,使晶粒铬含量不均匀下降,常集中于晶界。主要原因是碳原子体积小,在金属中扩散能力较大,很容易扩散到晶界与铬结合,使晶界上的铬含量下降。晶粒内的铬也会向晶界扩散补充,但该能力远小于
碳原子,难以补充晶界上的损失,故当ω(Cr)<12%时,就有可能产生晶间腐蚀。
碳化铬析出是原子在固态时的扩散过程,温度和时间对这一过程影响很大。温度很低时,碳原子无力扩散,碳化铬不可能在晶界出现,也不发生晶界贫铬现象。温度升高,碳化铬析出能力增加,碳原子向晶界扩散能力比铬原子向晶界扩散补充的能力增加得快,故温度升高会加速晶界贫铬。温度升得较高时,奥氏体含碳能力上升,碳过饱和度下降,碳扩散能力更高,但向晶界扩散量减小,而铬向晶界补充能力却随温度升高而增加,故温度高到一定程度后,形成晶界贫铬的时间反而更长,当达到某足够高温度时,碳过饱和问题不存在,不会发生晶界贫铬现象。故固熔态奥氏体不锈钢只有在适当温度范围受热停留才产生晶界贫铬,实验证明该温度是450～850℃,称为敏化温度。文[1]中规定为427～871℃。
奥氏体不锈钢在敏化温度区受热时,随时间延长晶界上碳化物逐渐增多直至饱和。受热时间短,碳化铬析出少,晶界铬含量不会小于12%,无晶间腐蚀危险。若受热时间足够长,碳化铬停止析出,而铬原子仍向晶界扩散补充,随时间延长,晶界铬含量总会大于13%,从而消除晶界贫铬,钢在腐蚀介质中不发生晶界腐蚀。要重新补足晶界铬原子含量,在较低温度下需很长时间,甚至仅在理论上可行。
奥氏体不锈钢晶界贫铬除与受热温度和时间有关外,还与钢的化学成分有关,降低含碳量,使用超低碳材料,增加比铬有更好亲碳性的稳定性元素,如Ti、Nb、V、Mo及Mn等,可有效防止晶间腐蚀的发生。2 敏化温度区热加工可行性分析
在敏化温度区停留,不锈钢会发生渗碳,产生晶界贫铬,故一般不要在其中进行热加工。但在什么温度下停留多长时间会发生晶界贫铬,不同材质的奥氏体不锈钢有多大区别等问题尚待解决。6种常用不锈钢在不同温度下从开始发生渗碳到渗碳严重,直至产生晶界贫铬的温度时间状态曲线见图1。以图1a为例,开始时材料没有渗碳,对应图中A部分,金相组织见图2a。在650℃进行加工或热处理时,大约10min就开始发生渗碳,对应图中B部分,金相组织见图2b。180min渗碳严重,产生晶界贫铬,对应图中C部分,金相组织见图2c。

　　在敏化温度区进行热加工是可行的,但温度与时间一定要适宜。对超低碳或加稳定性元素的材料,加工可选择性较大。对一般304等1828不锈钢及复合板,要完成热加工基本不可能,较好的解决方案是更换超低碳或加稳定性元素的材料。若不能更换材料,应重新进行固溶处理。对复合板,因存在基层,不可能做固溶处理,应考虑用不低于950℃的正火处理,可基本恢复材料性能。以上工艺在我公司16MnR+304封头加工中得到了应用并被证实有效。对该封头先热旋压加工(850℃、20min),取渗碳严重且产生晶界贫铬的封头坡口余料做晶间腐蚀试验,证明发生了晶间腐蚀。进行950℃、45min正火处理后对封头坡口余料再做试验,未发现晶间腐蚀。
3 结语
奥氏体不锈钢及其复合钢板易发生晶间腐蚀,一般应避开在敏化温度区进行热加工,不能避开的应尽量选用超低碳或加稳定性元素的材料。若不能更换材料,应对不锈钢进行固溶处理,对复合钢板进行正火处理。