至德鋼業(yè)奧氏體不銹鋼晶間腐蝕行為的研究分析

  晶間腐蝕，是局部腐蝕的一種，是指金屬材料在腐蝕介質中在晶界上發(fā)生并且沿著晶界方向向晶粒內部發(fā)展的一種腐蝕現(xiàn)象。主要特征是腐蝕大部分發(fā)生在晶界，其他地方的腐蝕程度很輕，從外表來看幾乎沒有腐蝕的跡象，但是晶界內部已經(jīng)被腐蝕，晶粒之間的相互作用力急劇下降，腐蝕嚴重的情況下在受到外力作用時就會產(chǎn)生斷裂，具有很大的危害性。

 一、晶間腐蝕的成因

   引發(fā)晶間腐蝕的根本原因是晶粒的中心地帶與晶粒邊緣處的物質處于不同電位，由此導致二者之間產(chǎn)生了不同的鈍化行為。浙江至德鋼業(yè)有限公司通過近年來的深入研究，出現(xiàn)了多種解釋晶間腐蝕行為的理論模型，比較主流的認識有以下幾種：

  1. 貧鉻理論

   研究晶間腐蝕過程中，最早提出的就是貧鉻理論，即在某種條件下，一部分溶質元素在晶界析出時，會使晶界范圍內的某種成分貧化。以奧氏體不銹鋼為例，在固溶處理狀態(tài)下，碳原子完全固溶在基體中，形成穩(wěn)定的奧氏體組織，但在450℃~850℃保溫時，固溶體中過飽和的碳就會向晶界處擴散，與鉻元素以及鐵元素形成復雜的碳化物，從晶界上析出。晶界處碳化鉻的形成會消耗大量晶界上的鉻元素，而此時消耗的鉻得不到及時的補充，在晶界區(qū)域產(chǎn)生貧鉻區(qū)，此時晶界附近的鉻元素含量不足以用來形成鈍化膜抵抗腐蝕，于是就發(fā)生了晶間腐蝕。

  2. 第二相沉淀理論

  σ相是一種FeCr的金屬間化合物,含鉻質量分數(shù)為17%~53%。σ相在晶界的析出也會引發(fā)晶界貧鉻。σ相與γ相相比耐蝕性較好，因此只有在強氧化介質中，才能產(chǎn)生晶間腐蝕。一般超低碳不銹鋼容易發(fā)生由σ相析出導致的晶間腐蝕行為。

  3. 吸附沉淀理論

  在強氧化性腐蝕介質中，經(jīng)過固溶處理，含碳量極低的奧氏體不銹鋼也會產(chǎn)生晶間腐蝕現(xiàn)象，這種情況無法用上述兩種理論模型來解釋。出現(xiàn)這種現(xiàn)象是因為不銹鋼的冶煉過程中不可避免的會含有一定的磷元素，晶界吸附磷元素等雜質后，與晶界上的碳化物發(fā)生電化學腐蝕，造成了晶界的吸附性溶解。

 二、晶間腐蝕的評測方法

  晶間腐蝕的評測方法有很多種，各自適用于不同的材料，不同的使用環(huán)境。通常評測晶間腐蝕程度的方法分為兩大類：熱酸浸蝕法和電化學實驗法。

  1. 熱酸浸蝕法

  針對奧氏體不銹鋼評測其晶間腐蝕性能，目前制定出的標準浸蝕實驗方案主要有硫酸-硫酸銅-銅屑法、沸騰硝酸法、硝酸-氫氟酸法、硫酸-硫酸鐵法等標準酸浸實驗法。這些實驗法的適用鋼種以及所需實驗條件如表所示：

  其中硫酸-硫酸銅-銅屑法適用于檢驗奧氏體不銹鋼以及雙相不銹鋼的晶間腐蝕性能，該實驗需要將浸蝕后的試樣進行彎曲，屬于一種破壞性質的檢測方法，配合金相顯微鏡使用可對試樣進行定性分析。沸騰硝酸法通過評測試樣的腐蝕率（失重率）對試樣進行定量分析，適用于強酸環(huán)境下的晶間腐蝕評測，但是該方案試驗周期較長。硝酸-氫氟酸法適用于檢驗含鉬奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕傾向，屬于帶有破壞性質的定量分析。硫酸-硫酸鐵法針對敏化后不銹鋼晶界處的貧鉻區(qū)進行腐蝕，通過評測腐蝕率來定量的分析奧氏體不銹鋼的晶間腐蝕能力。

 2. 電化學實驗法

  電化學法具有熱酸法所不具備的無損性、便捷性，適用于現(xiàn)場檢測操作。近年來采用電化學法進行晶間腐蝕實驗的研究工作取得了長足的進步。目前常用的電化學檢測法有以下幾種：草酸浸蝕實驗法、陽極極化曲線法、以及動電位再活化法。其中草酸浸蝕試驗法被用作檢測奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的篩選試驗方法，用草酸電解浸蝕后用金相顯微鏡觀察試樣表面，根據(jù)腐蝕樣貌的不同判定是否進行長時間熱酸浸泡實驗。陽極極化曲線法可以定量的評定不銹鋼的敏化程度；動電位再活化法目前應用最為廣泛，可以定量的評測不銹鋼的晶間腐蝕程度。

  此外，還有常用的物理檢測方法，例如彎曲試驗，金相檢驗等用作配合熱酸法或者電化學法的后續(xù)分析手段。

  晶間腐蝕的防控方法針對晶間腐蝕的危害性，人們做了大量的研究工作，得出以下幾種方法來改善鋼的晶間腐蝕性能，防患于未然。

  a. 開發(fā)雙相不銹鋼

    在雙相不銹鋼中，奧氏體與鐵素體的組織之間形成枝狀結構，在敏化溫度下，鐵素體組織能夠析出足夠的鉻來與碳結合，從而避免了境界品格現(xiàn)象的發(fā)生。

  b. 向奧氏體不銹鋼中添加與碳的結合能力高于鉻的元素

     例如鈦、鈮等元素。也可以向鋼中添加氮元素，抑制鉻碳化物的形核生長，改善晶間腐蝕性能的同時提高力學性能。

  c. 控制好碳含量

    碳含量在低于0.03%時，碳都溶解在奧氏體中，產(chǎn)生晶間腐蝕的傾向大大降低，超低碳奧氏體不銹鋼的開發(fā)目的就在于此。

  d. 規(guī)范熱處理制度

    達到消除貧鉻區(qū)的目的，并且在熱作成型時盡可能減少在敏化溫度停留的時間。

  隨著我國國民經(jīng)濟的日益發(fā)展以及城市化進程的加快，不銹鋼產(chǎn)品越來越多的出現(xiàn)在與我們生活、生產(chǎn)息息相關的各個領域，雖然目前我國整個鋼鐵行業(yè)處于低潮期，但是不銹鋼的生產(chǎn)量、使用量仍然保持在較穩(wěn)定的水平。在不銹鋼用品的需求方面，中國的市場仍有非常大的潛力值得挖掘。12Cr18Ni9不銹鋼作為一種通用型耐氧化性耐熱鋼，主要應用于消費品領域，隨著十個全覆蓋工程的普及，農(nóng)村市場的開拓，其應用和消費狀況還會有進一步的提升。但是我國鎳資源缺乏的國情決定了我國不銹鋼產(chǎn)業(yè)的發(fā)展要以資源節(jié)約型為方向。氮元素作為一種可以替代鎳元素的合金元素加入到奧氏體不銹鋼中，不但可以有效的釘扎奧氏體晶界，防止晶體長大，阻礙晶體粗化，而且對于提高鋼的力學性能，耐腐蝕性能有一定的效果。

  浙江至德鋼業(yè)有限公司本次的研究內容是對12Cr18Ni9不銹鋼進行增氮降鎳，然后對試驗鋼的微觀組織形貌進行分析、對試驗鋼的力學性能進行檢測；采用硫酸-硫酸銅熱酸腐蝕試驗方法檢測試驗鋼的晶間腐蝕性能。通過對實驗數(shù)據(jù)以及圖像的分析觀察，研究氮在12Cr18Ni9不銹鋼中的作用機理以及氮對其力學性能與晶間腐蝕性能的影響。更好的為控氮節(jié)鎳型奧氏體不銹鋼的成分設計、加工工藝提供理論依據(jù)，更重要的是在提升鋼的性能的前提下減少鎳的使用量，節(jié)約資源，降低生產(chǎn)成本。