根据文献介绍可发现奥氏体不锈钢晶间腐蚀的首要原因是晶间贫铬,其次是冶金因素,最后是工艺因素。在室温下,C在奥氏体不锈钢中的溶解度约为0.02~0.03 w%,而不锈钢中得C含量为0.08-0.12wt%,因此只有在淬火状态下C才能固溶在奥氏体中,以保证其具有较高的化学稳定性。但此种状态下的奥氏体不锈钢在温度450-850℃(敏化温度)时,C在奥氏体中的扩散速度明显大于Cr在奥氏体中的扩散速度。由于晶界处晶格的不完整性,促使C向晶界处扩散,与Cr形成复杂的不稳定的间隙碳化物Cr23C6,并析出。然而原子半径较大的Cr扩散较慢而得不到及时补充。故Cr23C6中的Cr大部分来自晶界附近的奥氏体基体。当晶界处的Cr含量小于钝化所需的临界浓11.7wt%时,就形成了由处于活化态的晶界贫铬区与处于钝态的中心富铬区组成的具有较大电位差的活化-钝化电池,从而使基体失去了抗腐蚀能力。
以上主要是在一般性氧化介质中发生的晶间腐蚀。而在强氧化介质中的晶间腐蚀的主要原因是:偏析于晶界上的杂质元素(P,Si等)或沉淀析出相(σ相)的选择性溶解。但通常所讨论的奥氏体不锈钢晶间腐蚀在未作特殊说明的情况下,多指由贫Cr所造成的晶间腐蚀。
晶间腐蚀的影响因素
(1)腐蚀介质的影响。腐蚀介质的种类及成分决定了晶间腐蚀的产生与否,以及腐蚀程度。通常,在酸性介质中,不锈钢产生晶间腐蚀比较严重。(2)温度的影响。由于450-850 ℃为敏化温度,故可将温度控制在450℃以下,在此温度不会产生Cr23C6;或者将温度升高到850℃以上,提高Cr的扩散速度,使足够的铬在晶界处与碳结合,就不会在晶界处形成贫铬区,也就会降低了发生晶间腐蚀的几率。在敏化温度中,尤以650℃最为危险。所以在加热过程特别是在焊接时,应尽量避免敏化温度区。
(3)冷却速度的影响。不锈钢在加热或冷却过程中,在敏化温度区停留时间越短,发生晶间腐蚀的机会越小。所以提高加热或冷却速度是提高奥氏体不锈钢耐晶间腐蚀的有效措施。
(4)含碳量的影响。碳元素对不锈钢的晶间腐蚀起着关键性的作用。当碳含量较小时,就没有足够的碳析出与铬结合。当碳含量高于0.08wt%时,析出的碳逐渐增多,在晶界处形成的碳化铬也随之增加,从而就产生了贫铬区,造成了晶间腐蚀。所以碳含量对晶间腐蚀有着决定性的作用。由此也衍生了新的钢种一超低碳奥氏体不锈钢,碳含量严格控制在0.03wt%以下,从而大大降低了晶间腐蚀的可能性。
(5)组织结构的影响。在奥氏体不锈钢的相结构中,如果仅仅是单相奥氏体时,抗晶间腐蚀性能较差。但如果在其组织结构中存在铁素体时,形成树枝状的奥氏体-铁素体双相组织,能大大提高抗晶间腐蚀的能力,并且,铁素体中铬的含量远大于奥氏体中的铬含量,铁素体中的大量的铬会及时析出与碳结合,而不至于在晶界处形成贫铬区。因此这种奥氏体-铁素体的双相组织提高了不锈钢抗晶间腐蚀的能力。
(6)合金元素的影响。不锈钢发生晶间腐蚀的主要原因是由于生成了碳化铬而产生的贫铬区。故添加一些与碳结合能力大于铬的元素就可以解决这一问题。因此,在不锈钢中加入钛、铌等元素,与碳结合成稳定的TiC,NbC,并且,当钢中含有0.002 wt%的N元素时,Nb又可以与N形成高稳定性的NbN、NbC、NbN不仅可以提高不锈钢的耐晶间腐蚀性能,又提高钢的韧性和屈服强度,并降低脆性转变温度。但Ti含量不宜过大,因为过多的Ti会使Fe-C平衡相图中的S点和E点向左上方移动,导致γ相区缩小。
(7)热处理工艺的影响。热处理对奥氏体不锈钢的抗晶间腐蚀能力影响很大,恰当的热处理可以消除贫铭区、稳定金属组织。但热处理规范选择错误或操作不当,都将造成很严重的后果。
显然,常见的金属学研究方法已经相对成熟,但对探求其腐蚀机理仍缺乏有效的模拟手段和可靠的研究试验方法。因此,可以尝试从微观的合金相及相界面的价电子理论角度出发,依据合金元素之间的作用,寻求更为有效的提高不锈钢基体与钝化膜之间的相结合能力的方法,进而在电子层次上探讨不锈钢耐腐蚀机理,从而采取相应措施,避免事故的发生,将对工业生产有着十分重要的意义。