304奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的研究及防護

張晶瑩

（廣西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院，廣西 南寧 530001）

304奧氏體不銹鋼是應(yīng)用最為廣泛的一種Cr-Ni不銹鋼，具有良好的耐蝕性、耐熱性、機械特性及良好的加工性能和可焊性，被廣泛應(yīng)用于石油化工、冶金機械、家庭用品、建材、食品工業(yè)等。為了保持不銹鋼所固有的耐腐蝕性，鋼中必須含有18%以上的Cr和8%以上的Ni含量，所以也叫做18-8不銹鋼。

1 304不銹鋼腐蝕機理分析

1.1 晶間腐蝕的基本概念

晶間腐蝕是金屬材料在特定的腐蝕介質(zhì)中，沿著材料的晶界發(fā)生的一種局部腐蝕。晶間腐蝕的產(chǎn)生，主要是由于晶粒表面和內(nèi)部間化學成分的差異，以及晶界雜質(zhì)或內(nèi)應(yīng)力的存在而引起的。晶間腐蝕，破壞了晶粒之間的結(jié)合，大大降低金屬的機械強度。而且腐蝕發(fā)生后，金屬和合金的表面仍保持一定的金屬光澤，看不出已被破壞的痕跡，但晶粒間結(jié)合力顯著減弱，力學性能惡化,不能經(jīng)受敲擊，金屬強度完全喪失，導致設(shè)備突發(fā)性破壞，因此是一種很危險的腐蝕。

1.2 晶間腐蝕的形成

奧氏體不銹鋼的主要合金成分是Cr和Ni。

Cr與Ni在不銹鋼中作用：Cr是不銹鋼的主加元素，每種不銹鋼Cr的含量都必須大于13%。

Cr之所以成為決定不銹鋼性能的主要元素，根本的原因是向鋼中加入13%以上的鉻元素以后，鋼表面自動形成一種非常薄的、無色、透明且非常光滑的一層富鉻的氧化物膜（即鈍化膜），這層膜的形成，大大緩解了鋼的氧化，從而提高了鋼的耐腐蝕性能。

Ni與Cr配合，在不銹鋼中發(fā)揮重要作用。Ni在不銹鋼中的主要作用，在于其改變了鋼的晶體結(jié)構(gòu)。在不銹鋼中增加Ni的一個主要原因，就是形成奧氏體晶體結(jié)構(gòu)，從而改善和加強Cr的鈍化機理，其抗晶間腐蝕能力得到提高。

引起不銹鋼晶間腐蝕的原因在于：不銹鋼中的C在奧氏體里的固溶度，會隨著溫度的升高而增加，加熱至500～700℃時，鋼中的C在奧氏體里的平均固溶度不超過0.01%。奧氏體不銹鋼經(jīng)固溶處理快速冷卻后，奧氏體中的碳處于過飽和狀態(tài)，在晶界中析出新相，造成晶界附近Cr成分貧乏化，當這種鋼在425～815℃回火過程中（又稱“敏化溫度區(qū)”）受熱時，奧氏體中過飽和的碳，會迅速地向晶界擴散，在晶界上，碳消耗了晶界周圍的Cr，與Cr形成Cr23C6碳化物，并在晶界沉淀析出。由于Cr的擴散速度太慢而得不到及時的補充，結(jié)果在晶界周圍形成嚴重的貧Cr區(qū)，并且造成最鄰近的區(qū)域Cr貧化，使得這些區(qū)域?qū)Ωg敏感。當貧Cr區(qū)的含Cr量低于13%時,鋼的基體就會喪失抗腐蝕能力而產(chǎn)生晶間腐蝕。由此可見，晶間腐蝕產(chǎn)生的根本原因，是由于晶粒邊界形成貧Cr區(qū)造成的。

2 304不銹鋼腐蝕的影響因素

2.1 化學成分的影響

（1）C元素的影響。C的含量是影響304不銹鋼晶間腐蝕最主要的因素。304不銹鋼抗晶間腐蝕的能力，會隨著C的含量降低而提高。C質(zhì)量分數(shù)最好控制在低于0.08%，這時晶界中能夠析出C的數(shù)量較少。在晶界形成Cr23C6碳化物機會就會隨之減少，結(jié)果不易在晶界處形成“貧鉻區(qū)”。如果C的質(zhì)量分數(shù)超過0.08%，產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向就會大大增加?，F(xiàn)在國內(nèi)外的設(shè)備中，重要的零部件大多采用超低碳的奧氏體不銹鋼，取得了很好的抗晶間腐蝕效果。

（2）Cr元素的影響。在奧氏體不銹鋼中，Cr含量的增加，在低敏化溫度區(qū)會加速晶間腐蝕；在高敏化溫度區(qū)，則會延長產(chǎn)生晶間腐蝕的時間。一般認為在低于550℃是受Cr的擴散控制，高于此溫度時，受碳化物的生成速度控制。因此，在溫度低時，低C不銹鋼也易于敏化，一般來說，奧氏體不銹鋼中Cr的含量應(yīng)超過13%，如果更低，則會嚴重降低抗晶間腐蝕的能力。

（3）Ni元素的影響。在不銹鋼中加入Ni，使鋼獲得完全奧氏體組織，當鋼中含有0.1%的C和18%的Cr時，所需的最低Ni含量約為8%，這便是18-8鉻鎳奧氏體不銹鋼的基本成分。奧氏體不銹鋼中，隨著Ni含量的增加，殘余的鐵素體可完全消除，使鋼本身沒有形成微電池的能力，這也是避免不銹鋼被腐蝕的主要原因。但是Ni含量的增加，會降低C在奧氏體不銹鋼中的溶解度，從而使碳化物（Cr23C6）析出傾向增強，所以Ni含量的增加，會增大晶間腐蝕的敏感性。

（4）Ti、Nb元素的影響。如在不銹鋼中的加入Ti、Nb等與C的結(jié)合能力比Cr更強的元素，能夠與C結(jié)合合成穩(wěn)定的碳化物，可以避免在奧氏體中形成貧鉻區(qū)。Ti是強碳化物形成元素，可形成穩(wěn)定的TiC，其作用可降低基體的含C量，穩(wěn)定Cr含量，還可細化晶粒，最主要的作用是使鋼中的C優(yōu)先與Ti形成穩(wěn)定TiC合金碳化物，而無法形成Cr的碳化物，避免出現(xiàn)晶界貧鉻，增強晶間抗蝕能力。從上可知，通過添加這些元素，可以減少晶間腐蝕的產(chǎn)生。

2.2 熱處理工藝的影響

（1）固溶處理。為了保證304不銹鋼具有最好的耐蝕性，必須使其具有單相奧氏體組織，因此對304不銹鋼進行固溶化處理。固溶處理，就是將奧氏體不銹鋼加熱到1 100℃左右，使碳化物相全部或基本溶解，C固溶于奧氏體中，然后快速冷卻至室溫，使C達到過飽和狀態(tài)（C已經(jīng)穩(wěn)定了，沒有能力和機會與Cr形成高鉻碳化物），強化固溶體，并提高韌性及抗腐蝕性能，消除應(yīng)力與軟化，以便繼續(xù)加工或成型，這樣就不會在晶界處形成“貧鉻區(qū)”，也就會降低發(fā)生晶間腐蝕的幾率。

不銹鋼在加熱過程中，在敏化溫度區(qū)停留時間越短，發(fā)生晶間腐蝕的機會越小。經(jīng)過固溶處理后，鋼中碳化物全部溶于奧氏體組織，然后采取水淬快冷，不讓奧氏體在冷卻過程中有析出或發(fā)生相變。這樣，在室溫狀態(tài)下，可以獲得單相奧氏體組織，消除晶間腐蝕傾向。固溶化處理技術(shù)條件是：加熱到850～900℃，保溫 6 h，隨爐冷卻。

（2）穩(wěn)定化處理。穩(wěn)定化處理通常為固溶處理的后續(xù)處理工藝。一般針對含Ti、Nb的鋼種。將這種鋼再加熱到850℃～900℃保溫一定時間，在該溫度下Cr23C6幾乎全部溶解，而TiC、NbC只是部分溶解。而后緩冷，在冷卻過程中，鋼中的C充分地與Ti、Nb等結(jié)合，而析出TiC、NbC，而不析出Cr23C6。從而提高抗晶間腐蝕性能。如果不進行穩(wěn)定化處理，在敏化溫度區(qū)間（450～850℃），Cr23C6依然會優(yōu)先沉淀出來。這就是穩(wěn)定化處理的必要性。對304不銹鋼其穩(wěn)定化處理的工藝條件為：將工件加熱到850～900℃，保溫足夠長的時間，快速冷卻。

3 不銹鋼晶間腐蝕的防止措施

3.1 選用低碳和超低碳不銹鋼

避免形成Cr的碳化物，使晶間腐蝕敏感性降低到最小值。試驗表明，C的質(zhì)量分數(shù)要降低到0.03%以下（所謂超低碳不銹鋼），便可避免晶間腐蝕，才能在最危險的敏化溫度下加熱1 000 h，而不產(chǎn)生晶間腐蝕。降低不銹鋼中的C含量，這是防止不銹鋼晶間腐蝕的最重要的措施。

3.2 添加Ti、Nb等合金元素

不銹鋼中加入鈦或鈮的目的是為了防止晶間腐蝕。鈦和鈮都是強碳化物形成元素，它們是作為形成穩(wěn)定的碳化物，從而防止晶間腐蝕而加入不銹鋼中的。

一般認為，晶間腐蝕是C從飽和的奧氏體中以Cr23C6形態(tài)析出，造成晶界處奧氏體貧Cr所致。防止晶界貧Cr，是防止晶間腐蝕的有效方法。將各種元素按與C的親和力大小排列，順序為：Ti、V、Nb、W、Mo、Cr、Mn。

Ti和Nb與C的親和力都比Cr大，把它們加入鋼中后，C優(yōu)先與它們結(jié)合生成TiC和NbC，這樣就避免了析出Cr23C6而造成晶界貧鉻，從而有效防止晶間腐蝕。

3.3 固溶淬火處理

固溶淬火處理，就是把鋼加熱至950～1150℃左右，保溫一段時間，使碳化物和各種合金元素充分均勻地溶解于奧氏體中，然后快速淬火冷卻，碳及其他合金元素來來不及析出或少量析出，從而起到防止晶間腐蝕的作用。

4 結(jié)束語

C的含量，是影響奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的最主要因素，不銹鋼中C的含量小于0.03%，晶間腐蝕敏感性大大降低，其敏感性隨C含量的增加而增加；

采用超低C的不銹鋼時，減少鋼中雜質(zhì)的含量和固溶處理，是控制奧氏體不銹鋼晶間腐蝕主要的、最有效的措施；

通過固溶后的穩(wěn)定化處理，可以顯著提高304奧氏體不銹鋼的耐蝕性能；

適當提高固溶溫度至1 100℃,再經(jīng)850～900℃保溫的穩(wěn)定化處理，能發(fā)揮穩(wěn)定化提高抗晶間腐蝕性能的有效作用。固溶溫度低于950℃，穩(wěn)定化效果不顯著。

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