浙江至德鋼業(yè)有限公司為了研究1Cr17Mn6Ni5N奧氏體不銹鋼管的晶間腐蝕行為，通過光學(xué)顯微鏡(OM)、X射線衍射儀(XＲD)和晶間腐蝕試驗研究了其在不同敏化溫度和冷卻方式下，晶間碳化物的析出和耐晶間腐蝕性能的變化。結(jié)果表明:1Cr17Mn6Ni5N奧氏體不銹鋼管在敏化溫度區(qū)間內(nèi)加熱時，晶界碳化物隨加熱溫度的上升而增加，加熱溫度為850℃左右時晶界析出碳化物最多，主要為Cr23C6和Cr7C3;在敏化溫度區(qū)間內(nèi)相同加熱溫度時，水冷可顯著減少其晶界碳化物的析出;1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管對晶間腐蝕不敏感。


 晶間腐蝕是奧氏體不銹鋼應(yīng)用中常見的一種局部腐蝕，產(chǎn)生的根本原因是熱處理、焊接或其他受熱過程中的熱循環(huán)使其晶界析出碳化物，晶界附近的鉻含量減小至小于12%而形成了“貧鉻區(qū)”，腐蝕介質(zhì)的作用貧鉻區(qū)便產(chǎn)生晶間腐蝕。常用的202，304不銹鋼一般在650℃左右對晶間腐蝕最為敏感，且主要晶間析出物為Cr23C6。然而，由于各種不銹鋼化學(xué)成分的差異，其晶間腐蝕敏化溫度和晶間碳化物的析出會發(fā)生變化，因而呈現(xiàn)出的最敏感溫度范圍也不同。


 本工作通過分析不同溫度下1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管的碳化物析出和晶間腐蝕，研究了不同熱循環(huán)對其碳化物析出的影響規(guī)律，并對影響因素進(jìn)行了分析，以期為1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管的應(yīng)用提供借鑒。


一、試驗


 以熱軋退火酸洗后的1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管為基材，其顯微結(jié)構(gòu)為單相奧氏體組織，主要化學(xué)成分見表。將1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管分別加熱至450，650，850℃，保溫10分鐘，分別采用水冷和空冷方式冷卻到室溫。依據(jù)GB/T4334－2008《金屬和合金的腐蝕———不銹鋼晶間腐蝕試驗方法》(E方法急性試驗)，將其線切割成 100.0mm×20.0mm×4.5mm。用60，120號SiC金相砂紙逐級打磨表面，并用無水乙醇清洗。


 將100g符合GB/T665的硫酸銅分析純?nèi)苡?00mL蒸餾水中;加入100mL符合GB/T625的純硫酸，用蒸餾水稀釋至1000mL，配制成硫酸-硫酸銅溶液。在帶磨口的錐形瓶底鋪上一層純度不小于99.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的銅屑，放入試樣;倒入硫酸-硫酸銅溶液，使試樣處于全浸泡狀態(tài)，裝上回流冷凝器，接通冷卻水，將溶液加熱至微沸，保持16小時后取出。


 用蒸餾水沖洗掉表面腐蝕介質(zhì)并用毛刷和10%鹽酸清除腐蝕產(chǎn)物，用無水乙醇脫水并烘干，用電子天平稱重，計算其平均腐蝕速率:


v = m1-m2A·t


   式中 v———平均腐蝕速率，g/(mm2·h)


 m1，m2———試樣腐蝕前后的質(zhì)量，g


         A———試樣工作表面積，mm2


          t———試驗周期，h


 采用ZWICKZ1200型萬能材料試驗機(jī)進(jìn)行彎曲試驗，試樣彎曲角度為180°;用10倍放大鏡檢查彎頭處是否有因晶間腐蝕而產(chǎn)生的裂紋，以確定1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管晶間腐蝕的敏感性。


 晶間腐蝕后截取金相試樣，用200mL HCl+5g FeCl3+100mL H2O 溶液浸蝕后，采用Leica金相顯微鏡觀察其顯微組織。以晶間腐蝕后的試樣為陽極，鉑電極為陰極，在35%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))HClO4的酒精溶液中電解30分鐘，收集、過濾容器底部的沉積物，通過TD-3700X射線衍射儀分析其析出物的物相。



二、結(jié)果與討論


1. 顯微組織


  圖為1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管不同加熱溫度空冷、水冷后晶間腐蝕的顯微組織。由圖可以看出:試樣晶界析出物隨加熱溫度的上升而增加，加熱溫度為850℃時，晶界析出物最多;水冷條件下試樣的晶界析出物少于空冷試樣。


2. 晶間腐蝕速率


  圖為3種加熱溫度、2種冷卻方式時試樣的晶間腐蝕速率。由圖可以看出: 2種冷卻方式試樣的腐蝕速率變化趨勢相同，腐蝕速率隨著加熱溫度的上升而增加，加熱溫度為850℃時腐蝕速率最大;空冷試樣的腐蝕速率大于水冷試樣，加熱溫度由650℃增加到850℃時，試樣的腐蝕速率增加幅度明顯大于加熱溫度由450℃到650℃時的幅度。由此可知，1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管的晶間腐蝕敏感性隨加熱溫度的升高而增加。


3. 析出物的物相


  圖為3種加熱溫度空冷、水冷后試樣的晶間析出物的XRD分析結(jié)果。由圖可以看出，試樣晶間析出物主要為Cr23C6和Cr7C3。


  圖為3種加熱溫度空冷、水冷后試樣的晶間析出物峰值的強(qiáng)度。由圖可以看出:空冷試樣晶間析出物的峰值強(qiáng)度大于水冷試樣，2種冷卻方式的峰值強(qiáng)度變化趨勢相同;峰值強(qiáng)度隨著加熱溫度的上升而增加，850℃時峰值強(qiáng)度最大;加熱溫度由650℃增加到850℃時，峰值強(qiáng)度的增加幅度明顯大于加熱溫度由450℃增加到650℃時的幅度。由此可知，16Cr奧氏體不銹鋼的晶間析出物在加熱溫度為850℃時顯著增加，這與試樣晶間腐蝕速率的變化趨勢相同。


  通常，鋼中含碳量降至0.03%以下即可滿足抗晶間腐蝕性能的要求，鋼中加入鈦，鈮等元素能形成穩(wěn)定碳化物(TiC或NbC)，也可防止其晶間腐蝕。鋼中含有的某些合金元素也會促進(jìn)碳化物的析出，如硅元素，即使在鋼中碳含量很低的情況下，它的偏析也會促使碳化物在較短的時間內(nèi)析出，從而造成晶間腐蝕。因為1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管中碳含量為0.068%，硅含量為0.450%，且不含鈦和鈮等強(qiáng)碳化物形成元素，故在加熱保溫過程中出現(xiàn)了碳化物的析出。在不含鈦，鈮等強(qiáng)碳化物形成元素的奧氏體不銹鋼中Cr23C6為主要碳化物，而在1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管中則因碳含量較高而出現(xiàn)了Cr7C3。


  加熱溫度、保溫時間及冷卻方式主要通過影響碳原子的擴(kuò)散而影響碳化物的析出。室溫下碳在奧氏體不銹鋼中的溶解度約為0.006%，600℃時溶解度約為0.030%，1000℃時約為0.180%，隨著加熱溫度的增加，碳在奧氏體中的溶解度增加。在隨后的冷卻過程中，溶解在奧氏體中的碳會隨著溫度的降低而析出，在敏化溫度區(qū)間停留時間越長，碳原子擴(kuò)散越充分，晶界處鉻便會與碳結(jié)合形成碳化物。冷卻速度可以通過影響碳原子擴(kuò)散而影響晶界碳化物的析出，冷卻速度越快，碳原子在敏化溫度區(qū)間擴(kuò)散越不充分，晶間碳化物析出就越少。因此，在1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管敏化溫度(400～900℃)內(nèi)，加熱溫度越高、冷卻速度越慢，碳化物的析出越多，水冷試樣的晶界析出碳化物遠(yuǎn)少于空冷。


4. 晶間腐蝕的敏感性


1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管彎曲后雖然晶界存在黑色析出物，但表面均未產(chǎn)生晶間腐蝕裂紋，因而對晶間腐蝕不敏感。



三、結(jié)論


1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管在敏化溫度區(qū)間加熱時，晶界碳化物隨加熱溫度上升而增加，加熱溫度850℃左右時晶界析出碳化物最多，主要為Cr23C6和Cr7C3。在敏化溫度區(qū)間加熱至相同溫度時，水冷可顯著減少晶界碳化物析出。1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管對晶間腐蝕不敏感。