鐵素體不銹鋼晶間腐蝕的機(jī)理和改善應(yīng)用研究

胡海波　湯旭炎

摘 要：鐵素體不銹鋼在汽車行業(yè)使用很廣泛，從電子零件到車身焊接，都要用到鐵素體不銹鋼，而且激光焊接是汽車系統(tǒng)對(duì)不同金屬材料連接的一個(gè)重要方式，而不銹鋼的成分對(duì)金屬焊接造成的晶間腐蝕敏感性不同。不銹鋼的晶間腐蝕對(duì)焊接強(qiáng)度的耐久性有直接影響，對(duì)焊接牢固的安全性即對(duì)汽車系統(tǒng)的安全性有直接影響。晶間腐蝕在不銹鋼焊接工藝多少存在，本文對(duì)晶間腐蝕的發(fā)生原因和改善對(duì)策做了充分闡述。

關(guān)鍵詞：晶間腐蝕 敏化作用 貧鉻區(qū) 鉻化物 草酸試驗(yàn)法

1 引言

汽車電子零件和鈑金件，有用到很多鐵素體不銹鋼零件，而連接不銹鋼的方式很多是采用激光焊接工藝，激光焊接后強(qiáng)度能滿足測(cè)試要求，但是在長(zhǎng)期的鹽霧試驗(yàn)后，我們發(fā)現(xiàn)有很多發(fā)生了晶間腐蝕，造成焊接區(qū)域產(chǎn)生裂縫，甚至長(zhǎng)期使用后，焊接部分發(fā)生脫離，造成汽車零件失效甚至造成汽車安全事故。因此分析晶間腐蝕的發(fā)生機(jī)理和如何避免晶間腐蝕的發(fā)生尤為關(guān)鍵，本論文就以上問題做出深刻分析和改善措施驗(yàn)證，并且以汽車零件實(shí)例進(jìn)行闡述。

1.1 晶間腐蝕概述

晶間腐蝕指的是不銹鋼在腐蝕介質(zhì)的作用之下在晶粒之間所產(chǎn)生的一種腐蝕現(xiàn)象。

晶間腐蝕是一種局部腐蝕，這種腐蝕會(huì)沿著金屬晶粒間的分界面向內(nèi)部擴(kuò)展，其會(huì)嚴(yán)重破壞晶粒間的結(jié)合力。導(dǎo)致這種腐蝕現(xiàn)象發(fā)生的原因是晶粒表面和內(nèi)部之間的化學(xué)成分有著較大的差異，并且有晶界雜質(zhì)或者是內(nèi)應(yīng)力存在。這種腐蝕會(huì)嚴(yán)重破壞晶粒間的結(jié)合，讓金屬的機(jī)械強(qiáng)度受到巨大的影響。需要注意的是這種腐蝕在金屬和合金的表面看不出有破壞的跡象，然而其內(nèi)部晶粒之間的結(jié)合力已經(jīng)被破壞，并且力學(xué)性能也出現(xiàn)了惡化，很難有效分辨，所以非常危險(xiǎn)。只有采用金相顯微鏡進(jìn)行觀察，才能夠發(fā)現(xiàn)晶界呈網(wǎng)狀形態(tài)，晶界區(qū)因腐蝕已遭破壞，晶粒也接近分離。晶間腐蝕多出現(xiàn)于黃銅、硬鋁合金以及一些不銹鋼、鎳鉻基合金中。而在化學(xué)工業(yè)中，不銹鋼焊縫的晶間腐蝕是一個(gè)重大的問題。

1.2 晶間腐蝕發(fā)生的機(jī)理

在弱氧化性或氧化性介質(zhì)腐蝕作用下，在晶體內(nèi)部只是呈現(xiàn)出微弱腐蝕，在工件的表面也難以發(fā)現(xiàn)明顯的損壞，然而因?yàn)榫Я１砻媾c內(nèi)部化學(xué)成分存在有差異，以及晶界內(nèi)部存在有雜質(zhì)以及內(nèi)應(yīng)力，最終導(dǎo)致晶間腐蝕出現(xiàn)，并使得晶界被迅速的溶解，并不斷深入，完全破壞了晶粒之間的聯(lián)系。產(chǎn)生晶間腐蝕原因，主要是奧氏體晶界處產(chǎn)生“貧鉻”現(xiàn)象所致，焊接時(shí)工件被加熱，奧氏體不銹鋼在450～850℃敏化溫度停留受熱后，原來(lái)固溶在晶粒內(nèi)的碳向晶界擴(kuò)散，并在晶界上生成碳化鉻（一般為Cr23C6），消耗了鉻元素的含量，致使晶界產(chǎn)生“貧鉻”現(xiàn)象，當(dāng)晶界上鉻的含量下降到12%以下時(shí)，就失去了防腐作用，在腐蝕介質(zhì)作用下晶界會(huì)被迅速腐蝕，即“晶間腐蝕”。

不銹鋼在產(chǎn)生晶間腐蝕之后，如果受到了外力，就會(huì)沿著晶界斷裂，這是不銹鋼中的一種最為危險(xiǎn)的破壞形式。晶間腐蝕可以分別產(chǎn)生在焊接接頭的熱影響區(qū)（HAZ）、焊縫或熔合線上，在熔合線上產(chǎn)生的晶間腐蝕又稱刀線腐蝕（KLA），見圖1。

1.3 晶間腐蝕發(fā)生的原因

發(fā)生晶間腐蝕需要滿足以下的電化學(xué)條件：（1）晶粒和晶界區(qū)的組織要不同，這就會(huì)使得電化學(xué)性質(zhì)存在明顯的差異，晶界為陽(yáng)極，晶粒為陰極，形成電位差，這是晶間腐蝕發(fā)生的內(nèi)因。（2）晶粒和晶界的差異要在適當(dāng)?shù)母g介質(zhì)環(huán)境下才能顯露出來(lái)，這是晶間腐蝕發(fā)生的外因。

（1）不銹鋼的晶間腐蝕常常是在受到不正確的熱處理以后發(fā)生的，使不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕傾向的熱處理叫做敏化熱處理。奧氏體不銹鋼的敏化熱處理范圍為450°c—850°c（650～750℃范圍內(nèi)晶間腐蝕最為敏感）。當(dāng)奧氏體不銹鋼在該溫度范圍較長(zhǎng)時(shí)間加熱（如焊接）或緩慢冷卻，就產(chǎn)生了晶間腐蝕敏感性。鐵素體不銹鋼的敏化溫度在900°c以上，而在700-800°c退火可以消除晶間腐蝕傾向。

（2）不銹鋼中的含碳量越高，碳向晶界擴(kuò)散的傾向越大，形成碳化鉻的可能性就增加，于是造成貧鉻的趨勢(shì)就增加，那么晶間腐蝕就越容易發(fā)生。

1.4 敏化作用

對(duì)于含碳量超過(guò)了0.03%的不穩(wěn)定的奧氏體型不銹鋼，必須要對(duì)熱處理進(jìn)行高度重視，如果熱處理不當(dāng)，就很容易導(dǎo)致晶間腐蝕出現(xiàn)。這些鋼在處于450-850℃的溫度下加熱時(shí)，或者是緩慢冷卻的過(guò)程之中通過(guò)了這個(gè)溫度區(qū)間，那么就會(huì)出現(xiàn)晶間偏析的現(xiàn)象，這樣的熱處理就會(huì)導(dǎo)致碳化物在晶界沉淀（敏化作用），并且還會(huì)導(dǎo)致最鄰近的區(qū)域出現(xiàn)鉻貧化，進(jìn)而使得這些區(qū)域會(huì)對(duì)腐蝕敏感。敏化作用也可出現(xiàn)于焊接時(shí)，在焊接熱影響區(qū)造成局部晶間腐蝕腐蝕。

2 防止和改善晶間腐蝕

防止晶界腐蝕的措施有：

（1）調(diào)整材料的化學(xué)成份，加入穩(wěn)定化元素減少形成碳化鉻的可能性，如加入鈦Ti或鈮NB等元素。因?yàn)門i和Nb可以改變析出碳化物類型，這些元素和碳的結(jié)合力比鉻大很多，容易和碳形成TiC和NbC穩(wěn)定的碳化物，使得鉻不容易和碳形成Cr23C6，這樣保護(hù)了鉻元素，避免了貧鉻現(xiàn)象發(fā)生，從而有效防止了晶間腐蝕的發(fā)生。而且Tic和NbC化合物能在1050℃以下都不溶于奧氏體，從而避免了在敏化溫度下的不銹鋼腐蝕。

（2）減少材料中的含碳量，可以減少和避免形成鉻的碳化物，從而降低形成晶界腐蝕的傾向，含碳量在0.03%以下，稱為“超低碳”不銹鋼，就可以減少鉻的碳化物生成。

（3）工藝方面，控制在危險(xiǎn)溫度區(qū)的停留時(shí)間，防止過(guò)熱，要快焊快冷，使碳來(lái)不及析出去形成鉻的碳化物。

（4）提高不銹鋼抗晶間腐蝕性能的冶金方法。

①固溶處理：將奧氏體不銹鋼的焊接接頭重新加熱至1050～1100℃，此時(shí)碳又重新溶入奧氏體中，然后急速冷卻，便可得到穩(wěn)定的奧氏體組織，消除貧鉻區(qū)。這種方法叫固溶處理。固溶處理的缺點(diǎn)是，如果焊接接頭需要在危險(xiǎn)的溫度區(qū)工作，則仍不可避免地會(huì)形成貧鉻區(qū)。

②控制熱處理溫度在900°以下，在700～800℃退火出來(lái)，就能避開敏化影響，改善晶間腐蝕發(fā)生。

③去應(yīng)力處理：消除鋼在冷加工或焊接后的殘留應(yīng)力，對(duì)于含Ti或Nb的不銹鋼加熱到300～350℃回火，對(duì)于不含Ti，Nb的不銹鋼，回火溫度小于450℃，可以減輕晶間腐蝕的發(fā)生。

3 不銹鋼晶間腐蝕的評(píng)定方法

主要有化學(xué)浸蝕法和電化學(xué)方法?；瘜W(xué)浸蝕法耗時(shí)長(zhǎng)，且有破壞性，但是應(yīng)用較成熟，國(guó)內(nèi)外都有對(duì)應(yīng)的參照標(biāo)準(zhǔn)。電化學(xué)法快速，無(wú)損，用于現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)。

常用的鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)有國(guó)標(biāo)GB/T 4334，對(duì)標(biāo)的是美標(biāo)ASTM A763，都是化學(xué)浸蝕法。里面有幾種化學(xué)藥劑的腐蝕方法。

本論文所討論的檢測(cè)評(píng)價(jià)方法均參照ASTM A763-2015的方法Z（銅-硫酸銅-16%硫酸銅），所有測(cè)試報(bào)告出自容大材料腐蝕檢驗(yàn)機(jī)構(gòu)。

4 以不同材料的分析來(lái)說(shuō)明元素對(duì)晶間腐蝕的影響

作者以汽車用的不銹鋼（430鐵素體不銹鋼）為例，在激光焊接后，分析不同廠家不同化學(xué)元素比例的材料，在晶間腐蝕上的不同表現(xiàn)。焊接采用激光連續(xù)焊，采用快焊快速冷卻方式。圖2為激光焊接的圖片。下面的金相圖片均為100倍顯微鏡下觀察到焊縫處的晶間腐蝕情況。

（1）邢鋼不銹鋼材料：0Cr17（晶間腐蝕情況見圖3）。

含C：0.026%，Cr：16.32%，Ni：0.07%，P：0.023%， Si：0.38%，S：0.002%，不含Ti和Nb.雖然此材料含碳量低，但是不含Ti和Nb，因此在試驗(yàn)后，右上角能發(fā)現(xiàn)很多晶粒一周的晶界已經(jīng)腐蝕，有比較明顯的晶間腐蝕發(fā)生，導(dǎo)致焊接件在晶間腐蝕試驗(yàn)中斷裂開。

（2）青山不銹鋼材料：00Cr17（晶間腐蝕情況見圖4）。

含C：0.018%，Cr：16.6%，Ni：0.2%，P：0.028%，Si：0.33%，S：0.002%，含微量非添加Nb.約0.02%雖然此材料含碳量低，含微量Nb，但在試驗(yàn)后，右上角能發(fā)現(xiàn)很多晶粒一周的晶界已經(jīng)腐蝕，有比較明顯的晶間腐蝕發(fā)生，但是試驗(yàn)后焊接的材料未斷裂開。

（3）意大利華寶不銹鋼材料：SUS430F （晶間腐蝕情況見圖5）

含C：0.043%，Cr：16.3%，Ni：0.24%，P：0.022%，Si：0.42%，S：0.27%，含微量非添加Nb.約0.03%雖然此材料含碳量稍微高了些，雖含微量Nb，但在試驗(yàn)后，焊接處能發(fā)現(xiàn)很多晶粒一周的晶界已經(jīng)腐蝕，裂縫在晶界中延伸比較長(zhǎng)，有明顯的晶間腐蝕發(fā)生。

（4）為了解決晶間腐蝕的發(fā)生，我們選用了臺(tái)灣華新的添加Nb的不銹鋼材料來(lái)做對(duì)比試驗(yàn)，并且用含碳量低的材料。

臺(tái)灣華新不銹鋼材料：430LNb（晶間腐蝕情況見圖6）。

含C：0.013%，Cr：16.74%，Ni：0.26%，P：0.022%，Si：0.39%，S：0.001%，NB：0.35%此材料含碳量低，含Nb，因此在化學(xué)反應(yīng)上能阻止碳化鉻的形成，避免了貧鉻現(xiàn)象，有效防止晶間腐蝕發(fā)生。在試驗(yàn)后，焊接處的晶粒結(jié)合緊密，晶界無(wú)腐蝕發(fā)現(xiàn)，無(wú)晶間腐蝕發(fā)生。

5 結(jié)語(yǔ)

鐵素體不銹鋼廣泛用于船舶，汽車，石油化工，壓力容器，航天航海等各重點(diǎn)工業(yè)。但因金屬腐蝕造成的鋼鐵設(shè)備報(bào)廢占了設(shè)備產(chǎn)量的25%，特別是晶間腐蝕的發(fā)生，是在金屬內(nèi)部發(fā)生，造成的潛在危害尤其要重視。通過(guò)本文，我們闡述了晶間腐蝕發(fā)生的機(jī)理和原因，也闡述了如果避免和改善晶間腐蝕金屬的發(fā)生。并通過(guò)作者的實(shí)際工作試驗(yàn)去驗(yàn)證了添加Nb降低碳含量，能有效避免鐵素體不銹鋼晶間腐蝕的發(fā)生。并且能選用更合適的材料配比，輔助熱處理?xiàng)l件的控制，使得該金屬材料能長(zhǎng)期安全地使用在汽車惡劣的工況環(huán)境下，真正為汽車零件的三包服務(wù)做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[2]查小琴，張利娟.《不銹鋼晶間腐蝕測(cè)試方法》.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第725研究所.河南.洛陽(yáng) 2009.