基于不銹鋼堆焊層晶間腐蝕原因淺析

摘 要：晶間腐蝕是普遍存在的一種腐蝕，其存在對(duì)不銹鋼使用壽命帶來(lái)嚴(yán)重威脅。目前較為常用的晶間腐蝕檢測(cè)方法包括熱酸浸泡法和電化學(xué)法。較為公認(rèn)的導(dǎo)致晶間腐蝕的機(jī)理包括貧鉻、第二相析出和晶界吸附。從這三方面出發(fā)，加強(qiáng)不銹鋼生產(chǎn)過(guò)程中的質(zhì)量控制，從而最大限度地防范晶間腐蝕的發(fā)生。

關(guān)鍵詞：不銹鋼；實(shí)驗(yàn)方法；腐蝕機(jī)理；晶間腐蝕

晶間腐蝕是一種常見(jiàn)的局部腐蝕。在特殊的腐蝕材料中，晶粒邊界或其相鄰區(qū)的腐蝕速度較快，而晶粒自身腐蝕水平較慢，從而嚴(yán)重的影響了晶粒之間的相互作用力，導(dǎo)致其整體剛度的下降。這種腐蝕出現(xiàn)在不銹鋼上的時(shí)候，雖然不銹鋼表面仍然光潔，但是其剛度水平下降非常明顯。一般腐蝕條件之下，由于晶界在鈍化合金組織中的活性在晶間腐蝕敏感性較高的情況下，晶格與晶界之間將會(huì)產(chǎn)生明顯的電位差，而這一情況的存在，主要是由于合金在高溫工況下組織改變所導(dǎo)致的。除此之外，晶界雜質(zhì)達(dá)到一定水平之下，也同樣會(huì)導(dǎo)致晶間腐蝕問(wèn)題的產(chǎn)生，不同的合金，這種腐蝕出現(xiàn)的機(jī)制有所不同。因此，文章探討了不銹鋼晶間腐蝕的具體出現(xiàn)機(jī)理，從而為其制造和應(yīng)用的安全性提供必要的理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)方法

在實(shí)際的應(yīng)用中，不銹鋼表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能，因此在多種工況條件下得到了廣泛的應(yīng)用。但是熱處理或者焊接過(guò)程中，如果選擇的工藝不當(dāng)，或者工況條件溫差過(guò)大，都會(huì)導(dǎo)致其晶間腐蝕問(wèn)題的出現(xiàn)。出現(xiàn)晶間腐蝕的不銹鋼，往往會(huì)進(jìn)一步誘發(fā)晶間應(yīng)力腐蝕，導(dǎo)致的結(jié)果會(huì)帶來(lái)無(wú)法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)事故和人員傷亡。

晶間腐蝕的評(píng)價(jià)一般選擇兩種環(huán)境，化學(xué)侵蝕環(huán)境和電化學(xué)腐蝕環(huán)境。目前，常用的快速、簡(jiǎn)單的檢測(cè)方法包括電化學(xué)法和熱酸浸泡法兩種。

1.1 熱酸浸泡法

該方法由美國(guó)材料實(shí)驗(yàn)協(xié)會(huì)制定，并成為當(dāng)前抗晶間腐蝕性能評(píng)定的重要標(biāo)準(zhǔn)方法。具體來(lái)說(shuō)，包括硫酸-硫酸銅-銅屑法、硝酸-氟化物法、沸騰硝酸法。在實(shí)際的檢測(cè)過(guò)程中，這些方法可以在很短的時(shí)間里檢測(cè)到材料在某些工作環(huán)境中的晶間腐蝕，所以不同種類(lèi)的不銹鋼有其相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)條件。

硫酸-硫酸銅-銅屑測(cè)試法實(shí)際上是對(duì)傳統(tǒng)的硫酸一硫酸銅法的改進(jìn)和完善。是當(dāng)前技術(shù)水平下，檢驗(yàn)敏化不銹鋼晶間腐蝕敏感性過(guò)程中較為常見(jiàn)的一種方法。在實(shí)際的操作中，通過(guò)實(shí)驗(yàn)溶液浸泡試樣16h，然后進(jìn)行180°彎折實(shí)驗(yàn)來(lái)對(duì)其晶間裂紋情況進(jìn)行檢查，從而獲得材料抗晶間腐蝕性能數(shù)據(jù)，是一種較為典型的破壞性檢測(cè)方法。

沸騰硝酸法是1930年Huey提出。該方法在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中有著非常嚴(yán)苛的操作條件，但是不僅能夠在貧鉻區(qū)、σ相、等物質(zhì)中應(yīng)用，甚至也同樣可以檢測(cè)非金屬雜質(zhì)的抗腐蝕性水平，因此在很多對(duì)檢測(cè)精度要求較高的材料的檢測(cè)中較為常見(jiàn)。

1.2 電化學(xué)法

這種方法由于在實(shí)際的應(yīng)用過(guò)程中具有良好的適應(yīng)性并且簡(jiǎn)單快捷，所以已經(jīng)成為當(dāng)前階段材料腐蝕檢測(cè)中最為常見(jiàn)的一種方法。隨著電化學(xué)方法在晶間腐蝕檢出方面研究的不斷深入，其檢出率也得到了不斷的提升。當(dāng)前階段，電化學(xué)法在不銹鋼晶間腐蝕方面檢測(cè)，包括目草酸電解浸蝕法、掃描參比電極技術(shù)、陽(yáng)極極化曲線二次活化峰法等等。

1953年，Streicher提出的草酸電解浸蝕主要是通過(guò)對(duì)草酸腐蝕處理過(guò)后的材料進(jìn)行顯微鏡檢查的方式來(lái)測(cè)定材料的抗晶間腐蝕性能的。

1959年，Clerboirs首次發(fā)現(xiàn)經(jīng)敏化處理18-8不銹鋼在2mol/dm3H2SO4溶液中測(cè)定陽(yáng)極極化曲線時(shí)，在0.14-0.24V范圍內(nèi)出現(xiàn)了第二個(gè)活化峰而在退火狀態(tài)下或Nb穩(wěn)定化的18-8不銹鋼的陽(yáng)極極化曲線上并未出現(xiàn)這個(gè)活化峰。1980n年Smialowskal創(chuàng)造性的提出了陽(yáng)極極化曲線二次活化峰評(píng)定不銹鋼晶間腐蝕敏感性的檢測(cè)技術(shù)，但是這一技術(shù)的有效性尚未得到廣泛的肯定。二十世紀(jì)七十年代，Isaacs針對(duì)當(dāng)前探測(cè)技術(shù)的發(fā)展成果，創(chuàng)造性的提出了一種掃描參比電極技術(shù)，并將其應(yīng)用于包括不銹鋼在內(nèi)多種材料的抗晶間腐蝕性能檢測(cè)方面，取得了良好的效果。

電化學(xué)動(dòng)電位再活化法在晶間腐蝕檢測(cè)的過(guò)程中，表現(xiàn)出操作簡(jiǎn)單、檢出率高、檢測(cè)速度快等特點(diǎn)，因此也同樣成為當(dāng)前階段應(yīng)用最為廣泛的一種晶間腐蝕測(cè)定方式。早期的電化學(xué)動(dòng)電位再活化法主要是通過(guò)單環(huán)實(shí)驗(yàn)完成的，但是這種試驗(yàn)方法受到所使用電極表面光滑度的影響，后期逐步發(fā)展到我們當(dāng)前所使用的雙環(huán)實(shí)驗(yàn)。該測(cè)定方法在奧氏體、鐵素體、馬氏體、雙相鋼等材料的晶間腐蝕測(cè)定過(guò)程中的應(yīng)用有著較好的表現(xiàn)。

上文中所介紹的各種測(cè)定方法，由于熱酸浸泡法檢測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)、草酸電解法測(cè)量精確度不足、陽(yáng)極曲線二次活化峰實(shí)驗(yàn)等方法尚未成熟，因此在實(shí)際的工業(yè)應(yīng)用中難以滿足需求，這種情況之下，顯然需要對(duì)這一問(wèn)題進(jìn)行更為深入的分析和探索。

2 晶間腐蝕機(jī)理及原因分析

2.1 貧鉻理論

該理論出現(xiàn)時(shí)間相對(duì)較早，并已經(jīng)通過(guò)大量實(shí)踐活動(dòng)得到了證明，是現(xiàn)階段晶間腐蝕檢測(cè)過(guò)程中最為重要的基礎(chǔ)性理論。貧鉻理論不僅為奧氏體晶間腐蝕問(wèn)題的解釋提供了支持，同時(shí)在解釋鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕方面也有一定的積極作用，通過(guò)分析我們可以發(fā)現(xiàn)，鉻濃度和晶粒尺寸之間有著明顯的反比例關(guān)系。

2.2 第二相析出理論

第二相析出理論也同樣是當(dāng)前階段接受度較高的一種理論，主要是被用于對(duì)超低碳不銹鋼晶間腐蝕問(wèn)題的解釋上。由于傳統(tǒng)的界貧鉻理論實(shí)際上無(wú)法解釋超低碳不銹鋼晶間腐蝕問(wèn)題，因此出現(xiàn)了該理論。含碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)是當(dāng)前影響晶間腐蝕基本機(jī)理的重要因素，例如高含碳量不銹鋼通常情況下會(huì)因?yàn)槌恋硪鹁чg腐蝕，但是如果含碳量過(guò)低，雖然沉淀所導(dǎo)致的晶間腐蝕問(wèn)題得以有效避免，但是又出現(xiàn)了σ相引起的晶間腐蝕的問(wèn)題。

2.3 晶界吸附理論

上世紀(jì)中期，“硝酸十重鉻酸鹽”介質(zhì)中，經(jīng)1050℃固溶處理的超低碳18-8型奧氏體不銹鋼等也能產(chǎn)生晶間腐蝕這一問(wèn)題得到了廣泛的認(rèn)識(shí)，而這一問(wèn)題的存在，顯然不能用M23C6沉淀引起的貧鉻，那么在實(shí)際上我們也同樣無(wú)法通過(guò)σ相的析出來(lái)對(duì)其加以有效的解釋。經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐研究后人們發(fā)現(xiàn)，晶界吸附溶質(zhì)P等產(chǎn)生電化學(xué)侵蝕而造成晶界吸附性溶解所致。金相分析過(guò)程中，沉淀物也同樣無(wú)法得到有效的檢出，而晶界吸附造成的晶界硬化與晶界腐蝕敏感性之間有著較高的一致性。

上述三種晶間腐蝕理論模型并不相互抵觸，而是相輔相成的，各自適用于不同的合金組織和環(huán)境體系。值得指出的是，由于晶間腐蝕的復(fù)雜性，目前所提出的機(jī)理模型仍不完善，有待進(jìn)一步的發(fā)展這需要對(duì)晶界的成分、結(jié)構(gòu)等進(jìn)行更加深入地研究。

3 結(jié)束語(yǔ)

（1）晶間腐蝕是普遍存在的一種腐蝕，其存在對(duì)不銹鋼安全使用具有負(fù)面作用，會(huì)帶來(lái)無(wú)法估計(jì)的經(jīng)濟(jì)事故和人員傷亡。（2）熱酸浸泡法包括硫酸-硫酸銅-銅屑法、沸騰硝酸法、硝酸-氟化物法、硫酸-硫酸鐵法。電化學(xué)法包括草酸電解浸蝕法、陽(yáng)極極化曲線二次活化峰法、掃描參比電極技術(shù)以及電化學(xué)動(dòng)電位再活化法。（3）目前常見(jiàn)的導(dǎo)致晶間腐蝕的機(jī)理是貧鉻、第二相析出和晶界吸附。