奧氏體不銹鋼品質質量根源剖析

令彥鴻

摘?要：不銹鋼是無磁或弱磁性金屬，具有清脆的聲音和美觀的外表，因其良好的耐蝕性和成型性，被廣泛運用于需要防腐或清潔的工程建筑、生活用品或裝飾等各種行業(yè)，運用呈向陽趨勢，特別是奧氏體不銹鋼，但其包括銹蝕、氧化皮、加工硬化等在內的品質質量缺陷一直是行業(yè)所關注的焦點。

關鍵詞：奧氏體不銹鋼;工藝缺陷;固溶處理;酸洗鈍化;品質質量

【中圖分類號】TG172.19??【文獻標識碼】A?【文章編號】1674-3733（2020）18-0154-03

1?引言

包括不銹鋼在內暴露在腐蝕介質或如劃傷、飛濺、割渣等誘因環(huán)境中的金屬，都會因發(fā)生化學反應、電化學反應或應力集中等因素導致不同程度地被腐蝕。而不銹鋼之所以耐腐蝕是因為其披了一層1-10?um左右的鈍化膜外衣，但在耐腐蝕能力弱的部位會因自激反應而形成點蝕反應，生成小孔，點腐蝕。而且在一定條件下腐蝕速度相當快，尤其是點腐蝕和縫腐蝕。因此，如何改進制造工藝、取舍工藝參數，以消除工藝缺陷、提高抗腐蝕能力，取得所需的機械性能和良好的外觀是本文的剖析課題。

2?化學成分決定了鋼的耐腐蝕潛質

在某個領域能表現出良好抗蝕性性能的鋼叫不銹鋼，分不銹鋼和耐酸鋼兩大塊，能抵抗大氣腐蝕的叫不銹鋼，能抵抗化學腐蝕的叫耐酸鋼。目前約有一百多種不銹鋼，每種不銹鋼在其特定的區(qū)域具有不同的特質屬性。

不銹鋼耐蝕性性能與含碳（C）量成反比趨勢，大多數不銹鋼含碳量在1.2%以下，超低碳不銹鋼含碳量在0.03%以下，如00Cr19Ni10、00Cr17Ni14Mo2、00Cr18Ni14Mo2Cu2。

不銹鋼耐蝕性性能與含鉻（Cr）成正比趨勢，當鉻含量達到一定比例時鋼就表現出了耐腐蝕屬性，不銹鋼含鉻量普遍都在12%以上，如1Cr18Ni9含鉻量在17-19%之間，0Cr19Ni9含鉻量在18-20%之間。

鉻是銀白色有光澤的金屬（見下圖），密度7.20g/cm3，不溶于水，具有很好的耐腐蝕性和延展性，在空氣中即使是在高溫下也能表現出了良好的耐腐蝕特質。

3?置換隔離是不銹鋼耐腐蝕的根源

金屬生銹是鐵原子與大氣中氧原子發(fā)生氧化作用后，在金屬表面形成疏松且易剝落的如Fe2+、Fe3+富鐵氧化物所致。當金屬中含鉻量達到12%以上時，金屬表面會形成一層約2×10-6-5×10-6mm厚的堅固細密而穩(wěn)定，無色、透明且非常光滑的富鉻氧化膜，使鐵原子與大氣中的氧原子處于隔離狀態(tài)，阻止了富鐵氧化物的形成，表現出了耐腐蝕性。一旦這層富鉻氧化膜（鈍化膜）受到破壞，氧原子就會把金屬中的鐵原子析離出來形成富鐵氧化物而生銹。

4?奧氏體不銹鋼及其組織結構特點

不銹鋼組織分為馬氏體、鐵素體、奧氏體、奧氏體-鐵素體（雙相體），奧氏體不銹鋼因其具有良好的塑性、韌性、焊接性，以及在氧化性和還原性介質中表現出良好的耐蝕性能運用尤為突出。

奧氏體不銹鋼約含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系列的數字標示其牌號，常用牌號有201（1Cr17Mn6Ni5N）、304/18-8（06Cr19Ni10）、304L?（022Cr19Ni10）、316?（0Cr17Ni12Mo2）、316L?（022Cr17Ni12Mo2）等。

奧氏體組織是面心立方結構，在一個立方體中，鐵原子占據立方體的8個角（8×1/8=1），碳原子占據立方體六個面的中心（1/2×6=3）（見圖中右圖）;鐵素體組織

是體心立方結構，鐵原子占據立方體的8個角（8×1/8=1），碳原子占據立方體的正中心（見圖中左圖）?？梢钥闯觯鄬τ?8%的體積被碳原子所占據的鐵素體晶體來講，奧氏體金屬晶體中有74%的體積被碳原子所占據，含碳量較高。

5?制造工藝導致的組織及性能改變

5.1?拔軋使鋼呈現出各向異性

鋼材的拔軋變形實際上是內部晶粒變化的表現，即晶粒在拔制方向上被拉長。在變形量較大的情況下，表現出現明顯的纖維組織（見下圖?），使鋼呈現出各向異性。

5.2?塑變使晶格紊亂或出現亞晶

冷拔軋變形使鋼內部產生大量的位錯和空位，并使原子在晶格中偏離其平衡位置，即晶格發(fā)生畸變和紊亂，有些晶粒甚至被壓碎成許多小晶粒（稱之為碎晶或亞晶）。

5.3?塑變使晶格出現變形織構

當冷拔變形量很大時，鋼內各晶粒的取向會趨于一致，這種變形使晶粒具有擇優(yōu)取向的組織叫做“變形織構”（見下圖），其特征是各個晶粒的某一晶向與拔制力方向平行或接近平行。

5.4?冷拔產生加工硬化缺陷

鋼被冷拔冷軋時，外力壓縮晶格使原子間距縮小，壓縮可能壓縮的原子間隙，局部晶格扭曲，會產生形變馬氏體，從而產生加工硬化。為消除加工硬化必須進行固溶處理。

6?固溶處理目的及其參數的科學平衡

6.1?固溶處理及目的

將奧氏體不銹鋼加熱到1050—1150℃之間（具體溫度可根據鋼的需求性能而定），使碳化物全部或基本溶解，讓碳固溶于奧氏體中，然后快速水冷（細薄件也可空冷）至室溫，使碳達到過飽和狀態(tài)。這種熱處理方法為固溶熱處理，也稱固溶淬火（見下示意圖）。

固溶淬火與普通淬火是不同的，前者是軟化處理，后者是硬化處理，后者的加熱溫度低于1100℃。

奧氏體不銹鋼中含有8%以上的鎳，鎳的原子量是58.71比鐵原子量55.847大，鎳原子置換鐵原子后，把奧氏體晶格撐大。當用水快速冷卻時，碳原子來不及析出被固定在奧氏體晶格內，這就是固溶處理。固溶處理使碳原子不在晶界析出而避免生成碳化鉻，避免晶界鉻貧化，富鉻與氧形成的富鉻氧化膜隔離了鐵原子與氧原子的氧化結合而避免了晶間腐蝕。同時，因晶界上減少了碳化物使金屬變形減少了阻礙，可提高10%左右的延伸率，使不銹鋼獲得了良好的柔韌性。

固溶處理消除了制造工藝產生的應力，同時再結晶獲得了適宜的晶粒度，提高了鋼的高溫抗蠕變性能。

6.2?固溶處理參數的科學平衡

固溶處理最常用的溫度大約是1100℃，具體溫度的確定主要根據各個合金中相析出和溶解規(guī)律及性能需求來選擇。固溶處理時應緩慢加熱到400℃以減少內應力，然后快速從400℃升溫到900℃左右以避免更多的碳化物析出，然后再加熱到1100℃（見示意圖）。之所以快速從400℃升溫到900℃左右，是因為碳化物析出的敏化溫度在450-850°C之間，在600-700°C析出較多，650°C左右析出最多。

對于長期高溫使用的合金，要求有較好的延伸率和耐腐蝕性能，應選擇較高的固溶溫度以獲得較大的晶粒度。但如果固溶溫度過高，卻增加了外表氧化皮厚度，加重了酸洗負擔，影響了外觀品質，如線型、片狀氧化皮脫落導致的線性缺陷、點狀銹蝕，氧化皮殘留黑點，以及不得不打磨氧化皮的修磨痕跡等等（見下圖）。

對于中溫使用并要求有較好的室溫硬度、拉伸強度、屈服強度、沖擊韌性和疲勞強度的合金，可采用較低的固溶溫度，保證較小的晶粒度。當然，如果固溶溫度不夠或保溫時間不夠，晶界中的碳原子未完全溶入奧氏體，在晶界生成碳化鉻，導致晶界鉻貧，將會降低鋼的抗腐蝕性和柔韌性。

如果緩慢冷卻，碳從奧氏體晶粒中析出到晶界和鉻形成碳化鉻，阻礙了金屬變形使不銹鋼硬度上升。因為碳化物固溶后再析出的敏化溫度在450-850°C之間，在600-700°C析出較多，650°C左右析出最多，所以保溫后必須急速冷卻到300°C以下，才能使碳化物過飽和固溶的奧氏體保持到室溫。另外，晶界碳化鉻的形成，造成晶界貧鉻，氧和鐵氧化生成疏松的氧化鐵導致晶界腐蝕。因此，為達到急速冷卻，建議縮短固溶爐和噴水箱間距。

7?奧氏體不銹鋼酸洗鈍化作用

對不銹鋼進行酸洗、鈍化以清除各類油污、銹蝕、氧化皮、焊斑等污垢后表面變成均勻銀白色，可大幅度提高奧氏體不銹鋼的抗腐蝕性能和外觀品質。

7.1?酸洗工藝：將鋼件浸入酸洗液中，除去鋼表面氧化

皮和銹蝕物的方法稱為酸洗。酸洗液一般為多種酸的混合物，主要有硫酸、硝酸和氫氟酸等，這些混合酸具有很強的氧化性和較高的腐蝕溫度。因此，酸洗生產線從上游生產到下游廢水廢氣回收系統(tǒng)，防腐性能的好壞直接關系到設備、地坪、地溝、廢水廢氣回收系統(tǒng)的正常使用。

酸洗目的之一是為鈍化工藝創(chuàng)造條件，保證形成優(yōu)質的鈍化膜。因為通過酸洗使不銹鋼表面平均約有10um厚一層被腐蝕掉，酸液的化學活性使得缺陷部位的溶解率比其它部位高，因此酸洗可使整個表面趨于均勻平衡，一些原來容易造成腐蝕的隱患被清除掉了。更重要的是，通過酸洗，使鐵與鐵的氧化物比鉻與鉻的氧化物優(yōu)先溶解，去掉了貧鉻層，造成鉻在不銹鋼表面富集，提高了抗腐蝕的穩(wěn)定性。

7.2?鈍化工藝：鈍化是指金屬經強氧化劑或電化學方法氧化處理后使表面變?yōu)椴换顫姂B(tài)，增強了化學穩(wěn)定性而延緩金屬腐蝕速度的過程。金屬鈍化后，其電極電勢向正方向移動，使其失去了原有的特性，如鈍化了的鐵在銅鹽中不能將銅置換出。

鈍化的方法分為化學鈍化和電化學鈍化，用濃HNO3、濃H2SO4、HClO3、K2Cr2O7、KMnO4等氧化劑引起的金屬鈍化稱化學鈍化;將鐵置于H2SO4溶液中作為陽極，用外加電流使陽極極化，采用一定儀器使鐵電位升高一定程度，引起的金屬鈍化稱電化學鈍化。不同的鈍化處理會影響膜的成份與結構，從而影響不銹性能，如通過電化學改性處理，可使鈍化膜具有多層結構，在阻擋層形成CrO3或Cr2?O3或形成玻璃態(tài)的氧化膜，使不銹鋼發(fā)揮最大的耐腐蝕性。

7.3?酸洗鈍化：工業(yè)上酸洗經常是與鈍化結合在一起的，需要酸洗的不銹鋼一定要鈍化，因為酸洗后表面沒有形

成鈍化膜或者形成的鈍化膜很薄，起不到保護作用，必須增加鈍化工藝使不銹鋼表面形成滿足需求的鈍化膜。

8?結語

如果出于成本考慮，購買或降低了含鉻、鎳較低，含錳量較高的不銹鋼坯件，會降低不銹鋼的抗銹蝕性能。

如果固溶溫度過低，沒有使碳化物完全溶解，碳化物將在晶界析出生成碳化鉻，使晶界貧鉻導致晶間腐蝕。但如果固溶溫度過高，外表會殘留過熱氧化皮，打磨氧化皮會留下打磨痕跡;而且氧化皮的脫落會帶走部分金屬，使外表出現凹坑、麻點或線性缺陷，同時會使鈍化層點狀消失導致點銹蝕。

如果酸洗時間不夠或酸洗液濃度不夠，酸洗不徹底，會在外表殘留氧化物形成黑點或污點。

因此，不銹鋼制造工藝參數的選擇是一個牽一發(fā)而動全身的，關系著不銹鋼品質質量的權衡工作。雖然，惡虐的不銹鋼存儲和使用條件是誘發(fā)不銹鋼腐蝕的一大因素，比如空氣、海水、海風、土壤、汗跡、食鹽等各種物資中氯離子的廣泛存在會加速不銹鋼的腐蝕，再如不銹鋼表面鈍化層被劃傷都將導致不銹鋼被腐蝕，但刨根來看，外界條件誘發(fā)腐蝕是不可避免的，科學的、穩(wěn)定的制造工藝配方是不易被腐蝕的最根本保障。

參考文獻

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