浙江至德鋼業有限公司為了研究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。結果表明:1Cr17Mn6Ni5N奧氏體不銹鋼管在敏化溫度區間內加熱時，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;在敏化溫度區間內相同加熱溫度時，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用中常見的一種局部腐蝕，產生的根本原因是熱處理、焊接或其他受熱過程中的熱循環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”，腐蝕介質的作用貧鉻區便產生晶間腐蝕。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生變化，因而呈現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，研究了不同熱循環對其碳化物析出的影響規律，并對影響因素進行了分析，以期為1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管的應用提供借鑒。


一、試驗


 以熱軋退火酸洗后的1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管為基材，其顯微結構為單相奧氏體組織，主要化學成分見表。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的硫酸銅分析純溶于700mL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%(質量分數)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，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并用毛刷和10%鹽酸清除腐蝕產物，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型萬能材料試驗機進行彎曲試驗，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%(質量分數)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度。由圖可以看出:空冷試樣晶間析出物的峰值強度大于水冷試樣，2種冷卻方式的峰值強度變化趨勢相同;峰值強度隨著加熱溫度的上升而增加，850℃時峰值強度最大;加熱溫度由650℃增加到850℃時，峰值強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%，且不含鈦和鈮等強碳化物形成元素，故在加熱保溫過程中出現了碳化物的析出。在不含鈦，鈮等強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，在敏化溫度區間停留時間越長，碳原子擴散越充分，晶界處鉻便會與碳結合形成碳化物。冷卻速度可以通過影響碳原子擴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間擴散越不充分，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，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，但表面均未產生晶間腐蝕裂紋，因而對晶間腐蝕不敏感。



三、結論


1Cr17Mn6Ni5N不銹鋼管在敏化溫度區間加熱時，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。