奥氏体不锈钢晶间腐蚀

1 问题的明确提出

控制技术统一规定中一般来说包括莱氏体钢制制罐子用作可能引发晶间锈蚀的自然环境， 焊后应做水解钇或固相处置， 明确提出这样的明确要求， 自有其存在的必要性。但即使结构设计相关人员在双色的控制技术明确要求中明确提出这一条， 明确要求工厂进行钢制制罐子(比如泵) 的焊后退火， 由于前述退火工艺参数难以掌控和其他一些意料之外的困难， 一般来说相去甚远结构设计相关人员明确提出的理想明确要求， 前述上在役的钢制设备绝大部分是在焊后态采用。

这就促使我们去思考：晶间锈蚀是莱氏体钢制最常用的锈蚀形式， 那么造成晶间锈蚀的分子结构是什么?在什么电介质自然环境下能引发晶间锈蚀?防止和掌控晶间锈蚀的主要方法有哪些?莱氏体钢制制罐子用作可能引发晶间锈蚀的自然环境焊后是否都要退火?本文翻查有关的标准、规范，论著，结合生产前述聊聊个人看法。

2 晶间锈蚀的造成分子结构

晶间锈蚀是一种常用的局部锈蚀， 锈蚀沿着钛或钛孔隙边界或它的临近地区发展， 而孔隙锈蚀很轻度，此种锈蚀便称为晶间锈蚀，此种锈蚀使孔隙间的可焊性大大削弱。严重的晶间锈蚀，可使钛失去强度和耐热性，在正常有效载荷下破碎。现代晶间锈蚀方法论， 主要有贫铬方法论和微结构沉淀物选择熔化方法论。

2. 1 贫铬方法论

常用的莱氏体钢制， 在水解性或弱水解性电介质中之因此造成晶间锈蚀， 多半是由于加工或采用时熔化失当引发的。简而言之熔化失当是指钢熔化或缓慢冷却透过450～850 ℃自然环境温度区， 钢就会对晶间锈蚀造成敏感度。因此这个自然环境温度是莱氏体钢制采用的危险自然环境温度。钢制材料在交货时已经水解钇处置，简而言之水解钇处置就是把钢冷却至1050～1150 ℃后进行退火， 目的是获得均相水解钇体。莱氏体钢中含有少量碳， 碳在莱氏体中的水解钇度是随自然环境温度上升而减小的。如0Cr18Ni9Ti , 在1100 ℃时， 碳的水解钇度约为0. 2 % , 在500～700 ℃时， 约为0. 02 %。因此经水解钇处置的钢，碳是圣埃卢瓦的。

当钢无论是冷却或冷却透过450～850 ℃时，碳便可逐步形成( Fe 、Cr) 23C6 从莱氏体中分离出来而分布在微结构上。( Fe 、Cr) 23C6 的蒸压量比莱氏体碳纳米管的蒸压量高很多， 它的分离出来自然耗用了微结构不远处大量的铬， 而耗用的铬不能从孔隙中透过蔓延及时得到补充， 因为铬的蔓延速度非常快， 结果微结构不远处的蒸压量低于崩解必须的的限量版(即12 %Cr) ,逐步形成贫铬区， 因而钝态泛滥成灾， 微结构不远处地区阻抗上升， 而孔隙本身仍维持钝态， 阻抗较高， 孔隙与微结构构成释压———钝态微电偶电池组， 电池组具有大阴极小阴极的面积比，这样就导致微结构区的锈蚀。

2. 2 微结构沉淀物选择熔化方法论

在生产实践中， 我们还了解到莱氏体钢制在强水解性电介质(如浓硝酸) 中也能造成晶间锈蚀， 但锈蚀情况和在水解性或弱水解性电介质中的情况不同。一般来说发生在经过水解钇处置的钢上，经过敏化处置的钢一般不发生。当水解钇体中含有磷此种沉淀物达100ppm 时或硅沉淀物为1000 - 2000ppm 时， 它们便会偏析在微结构上。这些沉淀物在强水解性电介质作用下便发生熔化， 导致晶间锈蚀。而钢经敏化处置时， 由于碳可以和磷生成(MP) 23C6 , 或由于碳的首先偏析限制了磷向微结构蔓延， 这两种情况都会免除或减轻沉淀物在微结构的偏析， 就消除或减弱了钢对晶间锈蚀的敏感度。

上述两种解释晶间锈蚀分子结构的方法论各自适用作一定钛的组织状态和一定的电介质， 不是互相排斥而是互相补充的。生产实践中最常用的钢制的晶间锈蚀多数是在弱水解性或水解性电介质中发生的，因而绝大多数的锈蚀实例都可以用贫铬方法论来解释。

3 引发晶间锈蚀的电介质自然环境

引发常用莱氏体钢制晶间锈蚀的电介质， 主要有两类。一类是水解性或弱水解性电介质，一类是强水解性电介质，如浓硝酸等。常用的是第一类，下面列出常用引发莱氏体钢制晶间锈蚀的电介质自然环境。

3. 1 常用引发莱氏体钢制晶间锈蚀电介质

在G. A. Nelson 编制的锈蚀数据图表中列出了常用的引发莱氏体钢制造成晶间锈蚀的电介质：醋酸，醋酸+ 水杨酸，硝酸铵，硫酸铵，铬酸，硫酸铜，脂肪酸，甲酸，硫酸铁，氢氟酸+ 硫酸铁，乳酸，硝酸，硝酸+ 盐酸，草酸，磷酸，海水，盐雾，硫酸氢钠，次氯酸钠，二水解硫(湿) ,硫酸，硫酸+ 硫酸铜，硫酸+ 硫酸亚铁， 硫酸+ 甲醇， 硫酸+ 硝酸， 亚硫酸， 酞酸， 氢水解钠+ 硫化钠。

3. 2 晶间锈蚀倾向性试验

莱氏体钢制采用作可能引发晶间锈蚀的自然环境时，应按GB4334. 1～GB4334《钢制晶间锈蚀试验方法》进行晶间锈蚀倾向性试验。莱氏体钢制晶间锈蚀倾向试验方法的选用及其合格明确要求应符合下列规定：

(1) 在自然环境温度大于等于60 ℃，且浓度大于等于5 %的硝酸中采用的莱氏体钢制以及浓硝专用钢制， 应按GB4334. 3《钢制65 %硝酸锈蚀试验方法》进行试验，五个周期的平均锈蚀率或三个周期的锈蚀率应不大于0. 6g/ m2 h (或相当于0. 6mm/a) 。试样状态可为采用状态或敏化状态。

(2) 铬镍莱氏体钢制( 如0Cr18Ni10Ti , 0Cr18Ni9 , 00Cr19Ni10 及相类似钢材) : 一般明确要求：按GB4334. 5《钢制硫酸—硫酸铜锈蚀试验方法》，弯曲试验后，试样表面不得有晶间锈蚀裂纹。较高明确要求：按GB4334. 2《钢制硫酸—硫酸铁锈蚀试验方法》，平均锈蚀率应不大于1. 1g/ m2 h 。

(3) 含钼莱氏体钢制(如0Cr18Ni12Mo2Ti , 00Cr17Ni14Mo2 及相类似钢材) : 一般明确要求：按GB4334. 5《钢制硫酸—硫酸铜锈蚀试验方法》， 弯曲试验后， 试样表面不得有晶间锈蚀裂纹。较高明确要求：按GB4334. 4《钢制硝酸—氢氟酸锈蚀试验方法》， 锈蚀度比值不大于1. 5。也可按GB4334. 2《硫酸—硫酸铁试验方法》， 平均锈蚀率应不大于1. 1g/m2 h 。

(4) 电介质有特殊明确要求时，可进行上述规定以外的晶间锈蚀试验，并规定相应的合格明确要求。

4 防止和掌控晶间锈蚀的措施

根据锈蚀分子结构， 防止和掌控莱氏体钢制晶间锈蚀的措施有以下几种：

(1) 采用超低碳钢制降低碳含量到0. 03 %以下， 如选用00Cr17Ni14Mo2 , 使钢中不逐步形成( Fe 、Cr) 23C6 ,不出现贫铬区，防止晶间锈蚀的造成。一般强度不高， 受力不大， 明确要求塑性好的零件， 从经济角度出发，可选用0Cr18Ni9 等。

(2) 固相钢制选用钢中含钛和铌的钢制， (即我们常说的固相钢制) , 冶炼钢材时加入一定量的钛和铌两种成分， 它们和碳的亲和力大， 使钢中逐步形成TiC 或NbC , 而且TiC 或NbC 的水解钇度又比( Fe 、Cr) 23C6 小得多，在水解钇自然环境温度下几乎不溶于莱氏体中。这样，虽然经过敏化自然环境温度时， ( Fe 、Cr) 23C6不致于大量在微结构上分离出来， 在很大程度上消除了莱氏体钢制造成晶间锈蚀的倾向。如1Cr18Ni9Ti 、1Cr18Ni9Nb 等钢， 可在500～700 ℃范围内工作， 不会有晶间锈蚀倾向。

(3) 重新进行水解钇处置当对莱氏体钢制进行电焊时，电弧熔池的自然环境温度高达1300 ℃以上，焊缝两侧自然环境温度随距离的增加而上升， 其中存在敏化自然环境温度区。应尽量避免莱氏体钢制在敏化自然环境温度范围内熔化和缓慢冷却， 若发现有晶间锈蚀倾向， 一般对非固相的钢制多冷却到1000～1120 ℃， 保温按每毫米1～2 分钟计， 然后急冷;对固相钢制以冷却到950～1050 ℃为宜。经水解钇处置后的钢仍要防止在敏化自然环境温度冷却，否则碳化铬会重新沿微结构分离出来。

(4) 选用正确的焊接方法焊接时，如果操作不熟练或焊接材料过厚， 焊接时间越长则停留在敏化自然环境温度区的机会愈多， 结果使焊缝两侧的母材造成对晶间锈蚀的敏感度。为了减轻焊接接头的敏感度，焊接中应尽量减小线能量的输入。一般氩弧焊要比电弧焊的输入线能量低， 因而焊接和焊补应当采用氩弧焊。对于焊接件应选用超低碳钢制或含Ti 、Nb固相元素的钢制， 对于焊条应选用超低碳焊条或含Nb 的焊条。采用氩弧焊焊接时，为避免焊接接头过热， 操作要快， 焊后要快速冷却， 尽量减少焊缝两侧母材在敏化自然环境温度范围停留的时间。

5 焊后处置

焊缝区不一定都强调焊后退火，一般水解钇处置要在1100～1150 ℃范围内保温一定时间后急冷， 三分钟内要完成925～540 ℃自然环境温度范围的冷却， 在继续快冷到425 ℃以下;固相处置要在850～880 ℃自然环境温度范围内保温几小时后空冷。预期的焊后退火效果， 同退火全过程的各个关键工艺参数(如进炉自然环境温度、升温速度、升温过程中工件各部位的温差、炉内气氛、保温时间、保温过程中各部位的温差、降温速度、出炉自然环境温度等) 紧密相连。

对用作可能引发晶间锈蚀自然环境的莱氏体钢制罐子， 一般零部件的水解钇处置或固相处置可以实现。而对整台罐子(多为泵) 焊缝进行焊后退火将面临重重困难。这类处置不是局部的焊后退火，而是整个焊接部件或整台罐子焊后退火。由于大多数化工罐子的结构形状复杂(比如我们常用的管壳式泵) 。

如果明确要求对整台管壳式泵焊缝区焊后水解钇或固相处置， 上述的关键工艺参数根本得不到掌控，更谈不上保证焊后退火质量。即便处置也往往弄巧成拙， 不仅焊缝组织结构未能得到改善， 母材组织结构反而遭到不应有的恶化。因此，即采用作晶间锈蚀自然环境的莱氏体钢制制的化工罐子，90 %以上仍为焊后态采用，而不是焊后退火态采用。

6 一点看法

铬镍莱氏体钢制是最常用的抗锈蚀材料， 而晶间锈蚀是铬镍莱氏体钢制罐子最常用的失效形式。晶间锈蚀使孔隙间的可焊性大大削弱，严重时可使机械强度完全丧失。遭受此种锈蚀的钢制，表面看来还很光亮，但经不起轻轻敲击便破碎成细粒。由于晶间锈蚀不易检查， 因此， 造成设备的突然破坏，它的危害性很大，应引发我们足够的重视。

铬镍莱氏体钢制罐子基本上是靠焊接成型的， 而焊接接头两侧是晶间锈蚀敏化区， 它总是比母材先受到锈蚀破坏。透过焊后退火，提高焊缝区抗晶间锈蚀的能力， 达到和母材同等程度， 这是我们追求的目标，是我们进行焊后退火的初衷。但是在付诸实践中， 有许多因素要考虑， 比如：焊件整体结构形状复杂， 焊后退火工艺参数难以保证， 因此， 前述上绝大部分在役的铬镍莱氏体钢制在焊后态采用。

对用作抗晶间锈蚀的铬镍莱氏体钢制制罐子焊缝区是否作水解钇处置或固相处置， 不能简单的一概而论， 应具体分析罐子的结构形状， 分析是否能保证退火的效果， 否则即使我们明确提出了焊后退火的明确要求， 但往往会事与愿违， 不仅达不应有的效果，反而会影响母材的组织结构。

为了提高铬镍莱氏体钢制罐子抗晶间锈蚀的能力， 必须针对具体的锈蚀自然环境， 依据锈蚀分子结构， 首先选材时可选超低碳钢制， 固相钢制， 焊接时选用正确的焊接方法， 恰当组合上述几种防止和掌控措施， 才能取得好的效果， 不能单纯依赖焊后水解钇或固相处置。