不銹鋼的焊接冶金-不銹鋼焊縫金屬中碳化物的析出和晶間腐蝕
不銹鋼焊縫金屬中碳化物的析出和晶間腐蝕現(xiàn)貨價(jià)格查詢
在室溫下碳在奧氏體不銹鋼中的溶解度很低，約為0.006%，而在鐵素體（或馬氏體）不銹鋼中的溶解度更低。隨著鋼中碳含量的增加，多余的碳將以鉻-鐵碳化物（主要是M23C6）的形式析出，有時(shí)也以少量M7C6及M6C形式析出。M23C6和M7C6中鉻含量約為ωCr42%～65%，大大超過不銹鋼中鉻的政策含量。
固溶處理的不銹鋼經(jīng)再次加熱后將再次析出碳化物，碳化物的析出受高溫及時(shí)間的控制，見圖1-44。曲線1和4分別表示在某加熱時(shí)間下碳化物M23C6析出的開始溫度及終止溫度，水平線3表示奧氏體對(duì)碳的溶解溫度下限。由于碳化物M23C6中鉻含量是不銹鋼的2-4倍，因此，析出碳化物的晶界附件出現(xiàn)貧鉻現(xiàn)象，在遇到腐蝕介質(zhì)時(shí)就會(huì)使晶界發(fā)生腐蝕，這就是“晶間腐蝕”。發(fā)生晶間腐蝕的最高溫度為T。
（1）組織對(duì)碳化物析出的影響由于碳在鐵素體中擴(kuò)散比在奧氏體中容易（表1-1），且碳在鐵素體中的溶解度比在奧氏體中低，因此，鐵素體中碳化物的析出比在奧氏體中更容易發(fā)生晶間腐蝕，見圖1-45a。該圖中曲線1和2所包圍的區(qū)域表示為單層電弧焊的冷卻范圍，由圖可見，在這個(gè)條件下，奧氏體不銹鋼不發(fā)生晶間副食，而鐵素體不銹鋼就可能發(fā)生晶間副食。
（2）
鉻-鎳奧氏體不銹鋼中合金元素對(duì)碳化物析出和晶間腐蝕的影響
1）碳和鎳的影響。隨著碳含量的增加，其產(chǎn)生晶間腐蝕的區(qū)域向左上方移動(dòng)，即向時(shí)間短、溫度高的方向移動(dòng)，如圖1-45b所示。也就是說，隨著碳含量的增加，其產(chǎn)生鉻的碳化物容易了，量也多，貧Cr也加強(qiáng)了。
增加鎳含量，提高了碳的活度，降低了碳在鋼中的溶解度（圖1-6），等同于碳含量的增加，因此，產(chǎn)生晶間腐蝕的敏感性增大。不過，只有當(dāng)鎳含量大于ωNi20%后，這種現(xiàn)象才會(huì)發(fā)生。因此，應(yīng)限制25Cr-20Ni鋼中碳含量在ωC0.02%以下。
2）硅的影響。和鎳一樣，硅也是提高碳的活度，其影響比鎳更強(qiáng)烈。圖1-45c所示為硅對(duì)18Cr-15Ni晶腐蝕影響的曲線?？梢钥闯?，隨著硅含量的增加，其產(chǎn)生晶間腐蝕的區(qū)域也向左上方移動(dòng)，即產(chǎn)生晶間腐蝕的敏感性增大。硅的另一個(gè)作用是可以發(fā)生成氮化碳，即π相，其分子式為M11（CN）2。π相對(duì)晶間腐蝕影響與M23C6相似。對(duì)于硅含量大于ωSi4%的奧氏體不銹鋼，其碳含量應(yīng)限制在ωc0.02%以下。
3）鉻的影響。在奧氏體不銹鋼中增加鉻含量，可使其產(chǎn)生晶間腐蝕的區(qū)域也向右下方移動(dòng)，即產(chǎn)生晶間腐蝕的敏感性降低，而且區(qū)域變窄。這是不難理解的，因?yàn)殂t是不銹鋼所以抗腐蝕的主要元素。圖1-45d所示為鉻含量對(duì)0.03C-16Ni3.0Mo-0.2Nb-0.3～0.4N鋼晶間腐蝕影響的曲線，也就是說，隨著鉻含量的增加，其抗晶間腐蝕的能力增大。
4）氮的影響。氮可以形成鉻的氮化物Cr2N析出而影響晶間腐蝕，但對(duì)晶間腐蝕的影響主要還是M23C6。氮可以使M23C6的析出時(shí)間延長(zhǎng)，從而也使其產(chǎn)生晶腐蝕的區(qū)域向右下方移動(dòng)，即產(chǎn)生晶腐蝕的敏感性降低，而且區(qū)域變窄。圖1-45c所示為氮對(duì)17Cr-13Ni-5Mo鋼晶間腐蝕影響的曲線。
5）鈮和鈦的影響。由于鈮和賅都能與碳形成穩(wěn)定的碳化物，因而，有效地抑制M23C6的析出，從而提高的抗晶間腐蝕的能力。鈮和鈦也是不銹鋼采用的提高鋼的抗晶腐蝕的能力的穩(wěn)定化元素。但是，為了有效地抑制M23C6的析出，避免晶間腐蝕的產(chǎn)生，它們的含量應(yīng)足夠高。根據(jù)計(jì)算，鈦含量至少要達(dá)到碳喊來年感的4倍，而鈮含量則至少要達(dá)到碳喊來年感的8倍。這種穩(wěn)定化元素含量與碳含量之比叫做“穩(wěn)定化比”。不銹鋼中含有氮，若考慮一般氮含量約為ωN0.05%，約有1/5的鈮和鈦與氮結(jié)合，為彌補(bǔ)這個(gè)損失，則鈦含量至少要達(dá)到碳含量的10倍。
（3）
其他類型不銹鋼中碳化物析出和對(duì)晶間腐蝕的影響
1）鐵素體鉻不銹鋼碳化物析出。含碳量為ωC0.05%～0.1%的鐵素鉻不銹鋼與鉻-鎳奧氏體產(chǎn)生不銹鋼產(chǎn)生晶間腐蝕的條件不同。即使從900℃以上快速冷卻，鉻不銹鋼也對(duì)晶間腐蝕敏感。但經(jīng)650～800℃回火后，就提高了抗晶間腐蝕的能力。鐵素體不銹鋼的晶間腐蝕主要受碳的影響，如果含碳量超過ωC0.01%，高溫淬火后，不管是否發(fā)生相變，艘使抗晶間腐蝕的能力下降。如圖1-45a所以示，在碳含量相同的情況下鐵素體要比奧氏的碳化物析出的多，抗晶間腐蝕的能力也差得多。
對(duì)Cr13鋼，若在400～600℃進(jìn)行回火，腐蝕會(huì)很嚴(yán)重，因?yàn)檫@正是碳化物析出很快的溫度范圍，重要經(jīng)過950℃的退火空冷的熱處理之后，抗腐蝕性才可改善。鐵素體鉻不銹鋼的最佳回火溫度取決于鉻和鉬的含量，通常在700℃左右?；鼗疬^程中，馬氏體發(fā)生分解，碳化物按M3C-M7C3-M23C6的順序析出，貧鉻和腐蝕就在馬氏體晶粒表面發(fā)生。在700℃回火，通過鉻的擴(kuò)散，使之趨于平衡。加入ωMn1%的鉬，對(duì)Cr13鋼來說，無論是淬火態(tài)還是回火態(tài)，艘能提高抗晶間腐蝕的能力。
對(duì)含碳為ωC0.1%的Cr17鋼（AISI430），電弧焊或是從900℃快速冷卻，都容易發(fā)生腐蝕，其組織為一次鐵素體和馬氏體。馬氏體表面先行腐蝕，這是因?yàn)樵?delta;→γ轉(zhuǎn)變中的偏析使得馬氏體表面富碳貧鉻的緣故。在高于1100℃快速冷卻時(shí)，還會(huì)發(fā)生部分晶間腐蝕。在700～800℃回火時(shí)，提高了抗晶腐蝕能力，Cr17鋼的理想的“穩(wěn)定化回火”溫度是750℃。Cr17鋼在加熱900℃以上會(huì)發(fā)生再結(jié)晶，導(dǎo)致晶粒粗大。加入鉬和鈦可以防止晶粒長(zhǎng)大，而提高抗晶間腐蝕的能力。因此，含鉻ωCr17%的鋼通常含有ωMo1%～2%的Mo。
2）低碳鉻-鎳馬氏體不銹鋼碳化物析出。為改善鐵素體不銹鋼韌性和焊接性，可以通過降低碳含量，使其小于ωC0.04%來實(shí)現(xiàn)，于是，發(fā)展了低碳-鎳馬氏體不銹鋼。通常加入ωNi4%～6%鎳，以擴(kuò)大γ相區(qū)，減少δ鐵素體。這種低碳低鉻-捏馬氏體不銹鋼在淬火或焊接中，由于快冷而轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，碳來不及析出過飽和和固溶在金屬中。在回火過程中，碳以碳化物形式析出，其析出相為M3C、M2（C，N）、M3C3、M23C6等幾種形式。由于回火，使得在彌散M2（CN）旁形成粗大的碳化物和同類型細(xì)小的碳化物，同時(shí)在晶間腐蝕敏感性?；鼗饻囟仍?50～580℃時(shí)，腐蝕敏感性增大，但鉻-鎳馬氏體不銹鋼比鉻鋼慢。但對(duì)于淬火和回火的馬氏體不銹鋼，在425℃中長(zhǎng)期時(shí)效處理中，將在晶內(nèi)出現(xiàn)大量細(xì)小的緊挨著M23C6的碳化物M6C。
3）低碳奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼碳化物析出。奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼比普通奧氏體不銹鋼有更為優(yōu)良的耐應(yīng)力腐蝕性，但含碳量高時(shí)抗晶腐蝕的能力繳低?？墒?，如果降低碳含量，其抗晶間腐蝕的能力就提高，而且其力學(xué)性能和焊接性也將改善。低碳奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼在含氯離子的介質(zhì)和海水中具有很強(qiáng)的耐點(diǎn)蝕性，因此，在油泵裝置、污水處理和海洋工程有廣闊的應(yīng)用。低碳奧氏體-鐵素體（雙相）不銹鋼通常含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為18.5%～27%Cr4%～8%Ni-2%～4%Mo，還有含有氮和銅，而碳含量通常都低于ωC0.03%，顯微組織為奧氏體組織和含量相對(duì)較多的δ鐵素體的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼。表1-4給出了奧氏-鐵素體雙相不銹鋼的典型化學(xué)成分。
在低碳奧氏體制-鐵素體雙相不銹鋼中，氮的作用不只是以氮化物代替碳化物析出，而且對(duì)提高焊接性也有重要作用，含氮量增加，大大減少了焊接熱影響區(qū)晶粒長(zhǎng)大的趨勢(shì)。此外，奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼中即使沒有氮，焊接熱影響區(qū)對(duì)晶間腐蝕的敏感性也會(huì)降低。由于細(xì)小的析出相分布在基體中，不利的影響較小。這不僅提高了焊接熱影響區(qū)的抗晶間腐蝕的能力，而且提高了韌性。
含碳量低、含鉻量高的奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼（如22Cr-5Ni-3Mo的UNS S31803），在焊態(tài)下就有很好的抗晶間腐蝕的能力。
表1-4奧氏體-鐵素體雙相不銹鋼的典型化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）（%）
（4）
不銹鋼焊縫金屬和熱影響區(qū)碳化物析出
1）焊接接頭的刀狀腐蝕。這種腐蝕通常發(fā)生含有穩(wěn)定化合金元素（如鈮和鈦等）并在經(jīng)過穩(wěn)定化處理的奧氏體不銹鋼焊接接頭中，因?yàn)殁壓外伒奶蓟镌诤附痈邷刈饔孟轮匦氯芙?。刀狀腐蝕只發(fā)生在加熱溫度高于1300℃的很窄的熱影響區(qū)中。由于高溫的作用，焊接熱影響區(qū)的近縫區(qū)中鈮和胎的碳化物會(huì)重新溶解到金屬中。圖1-16的下圖為900～1450℃之間保溫30～60min時(shí)，鈮在母材中再溶解的比例；而上圖保溫5s（和電弧焊中熱影響區(qū)的情況相似）時(shí)鈮在母材中的再溶解的比例。
可以看到，焊接熱影響區(qū)的近縫區(qū)中碳化鈮的大部分會(huì)重新溶解到金屬中。再經(jīng)過快速冷卻之后，這一部分溶解的碳不再以碳化鈮的形式析出，而是在奧氏體中以過飽和的形式存在。在之后的退火中，碳又以M23C6的形式析出而造成貧鉻，使其抗晶間腐蝕的能力下降。因?yàn)榘l(fā)生這種腐蝕的是在焊接熱影響區(qū)近縫區(qū)的很窄的區(qū)域，所以，被叫做“刀狀腐蝕”。
刀狀腐蝕只發(fā)生在經(jīng)過穩(wěn)定化處理的奧氏體不銹鋼熱影響區(qū)、多層焊，兩道或多道平行焊道（比如堆焊焊層時(shí)）的焊接熱影響區(qū)的近縫區(qū)中。
通過降低碳含量（比如ωC＜0.04%＝，提高穩(wěn)定比（ωTi＞8ωNb＞ωC），達(dá)到其1.5倍，造成超穩(wěn)定化，就能夠避免刀狀腐蝕。但必須指出，鈮和鈦含量的提高是有限的，在擺布成分時(shí)，要綜合考慮各種性能要求。比如，鈮含量超過Cr20%時(shí)，σ相析出的危險(xiǎn)增大。
2）偏析引起的焊縫金屬的晶間腐蝕。促進(jìn)碳化物析出的合金元素，也會(huì)促進(jìn)偏析的發(fā)生，從而增加了產(chǎn)生晶間腐蝕的危險(xiǎn)性。硅就是其中之一。由圖1-45c可以看出，即使在碳含量很低的情況下，硅也會(huì)使晶間腐蝕的時(shí)間縮短，即使曲線向左上方移動(dòng)，而且發(fā)生晶間腐蝕的溫度范圍卻會(huì)擴(kuò)大。為避免產(chǎn)生晶間腐蝕，應(yīng)降低焊接線能量及層間溫度。
3）δ鐵素體的影響。為了提高奧氏體不銹鋼焊縫裂紋性能，焊縫金屬中通常含有少量的δ鐵素體（一般體積分?jǐn)?shù)約為5%～10%）。鐵素體中碳化物析出比奧氏體快，抗晶腐蝕的能力也應(yīng)下降，但實(shí)際上，含有少量δ鐵素體的奧氏體不銹鋼焊縫金屬并沒有明顯的這種抗晶腐蝕的能力下降的傾向。
所示，鐵素體中碳化物析出比奧氏體快，抗晶腐蝕的能力也應(yīng)下降，但實(shí)際上，含有少量δ鐵素體的奧氏體不銹鋼焊縫金屬并沒有明顯的這種抗晶腐蝕的能力下降的傾向。
