奥氏体不锈钢晶间腐蚀原因分析和对策_葛晶

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四川化工　　　　　　　　　　　第１８卷　２０１５年第５期

腐蚀与控制

１　关于奥氏体不锈钢的概述

１．１　奥氏体不锈钢的重要地位

通常我们所说的不锈钢是对不锈钢（耐空气腐和耐酸钢（耐酸腐蚀）的统称。在化工生产中，很蚀）

多情况下设备或者管线内的介质具有腐蚀性，在解决耐腐蚀的问题中，只有一小部分采用表面保护、电主要采用耐腐蚀材料。在化工生化学保护等措施，

产中采用的耐腐蚀金属材料中最主要的就是不锈铬产量的８钢。世界镍产量的４０％、０％用于生产不锈钢。不锈钢的分类方法比较多，通常按照钢的组马氏体钢、奥氏体钢、奥氏体－织结构分为铁素体钢、

铁素体双相钢，其中奥氏体不锈钢最为重要，其生产量和使用量都占不锈钢总产量和用量的７钢号０％，种类也最多。

１．２　奥氏体不锈钢的主要性质

奥氏体不锈钢是通过加入扩大和稳定奥氏体区使之在室温维持完全的奥氏体相组织。合金元素，

奥氏体不锈钢化学组成有Ｃｒｉ和Ｃｒｎ两个系－Ｎ－Ｍ、、、列，根据使用环境的不同再添加ＭｏＮ、Ｃｕ、ＳｉＴｉＮｂ等元素。奥氏体不锈钢的耐蚀性是由于在其表面形成一层钝化膜。钝化膜的形成过程非常复杂，它与金属电子性能，化学、电化学以及力学性能有关。根据最新研究成果认为是水分子直接参与钝化膜形成，金属表面产生钝化膜是膜的生成、金属溶解、膜的溶解等多个反应共同作用的结果，已经钝化

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奥氏体不锈钢晶间腐蚀原因分析和对策

葛　晶　任中育

（）大庆石化公司化工二厂，黑龙江大庆，１６３７１４

摘　　要

并提出防止的措施，对于预防发生晶间腐蚀具有　　分析了奥氏体不锈钢产生晶间腐蚀的原因和机理，

所以应用会更加广一定的借鉴意义。由于奥氏体不锈钢具有优良的综合性能和成熟的加工制造工艺，

但是其易发生晶间腐蚀的特性不容忽视，在工程实际应用过程中，要从设计、选材、制造、安装、操作维泛，

护等各环节加以注意，最好从源头上避免发生晶间腐蚀，也就是使奥氏体不锈钢的工作温度避开敏化区否则要从设计角度上考虑使用应用其它材质，如双相不锈钢、超级不锈钢等。域，

关键词：支腿　损坏　分析　对策

或者是吸附膜，或者是某种化的金属实际存在的膜，

合物的成相膜。

奥氏体不锈钢不仅具有优良的耐腐蚀性能，并且具有良好的综合力学性能、机械加工性能和焊接性能。同时奥氏体不锈钢还具有非铁磁性和良好的低温性能。奥氏体不锈钢也有自身的一些缺点，主要是强度、硬度偏低，一般情况下没有经过特殊处理不适宜制作承受较大载荷和抗磨的零部件及设备。奥氏体不锈钢在许多介质环境中容易发生晶间腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀、腐蚀疲劳等腐蚀类型。本文主要论述奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀的原因以及可以预防发生晶间腐蚀所采取的措施。

２　发生晶间腐蚀的原因分析

２．１　晶间腐蚀的特性

晶间腐蚀是一种常见的局部腐蚀。其现象是腐蚀沿着金属或合金的晶粒边界或它的邻近区域发展，晶腐蚀结果往往表面看不出任何痕粒本身腐蚀很轻微，迹，而用金相显微镜可以观察到晶界呈现网状腐蚀，使在载荷的作用下，导致设备或者金属失去强度和延性，构件的损坏，这种腐蚀便称为晶间腐蚀。晶间腐蚀使晶粒间的结合力大大削弱，严重时可使机械强度完全丧失。例如遭受这种腐蚀的不锈表面看起来还很光亮，但轻轻敲击便破碎成细钢，

粒。不锈钢、镍基合金、铝合金、镁合金等都是晶间腐蚀敏感性高的材料。

在通常腐蚀条件下，钝化合金组织中的晶界活

第４期　　　　　　　　　　　　奥氏体不锈钢晶间腐蚀原因分析和对策性不大，但当它具有晶间腐蚀的敏感性时，晶间活性

即晶格粒与晶界之间存在着一定的电位差，这很大，

主要是合金在受热不当时，组织发生改变而引起的。所以晶间腐蚀是一种由组织电化学不均匀性引起的

在一定条件下局部腐蚀蚀。此外晶界存在杂质时，也会引起晶间腐蚀。

在受热情况下使用或焊接过程都会造成晶间腐

蚀的问题。以晶间腐蚀为起源，在应力和介质的共可使不锈钢、铝合金等诱发晶间应力腐同作用下，蚀，所以晶间腐蚀有时是应力腐蚀的先导，后面的案例分析也证明了这一点。

２．２　奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀的机理分析经过大量的科学研究和实践验证，目前认为奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀有两种类型，按照晶间腐蚀产生的机理不同，可分为敏化态晶间腐蚀和非敏化态晶间腐蚀。敏化态晶间腐蚀是钢经敏化处理时发生的，目前认为其发生晶间腐蚀的经典理论为“贫

。奥氏体不锈钢因热处理或者焊接等原因铬学说”

引起其经历４此时晶间的铬和碳化合成５０～８５０℃，、、）（、、）为（并从ＣｒＮｉＦｅＣ、ＣｒＮｉＦｅｒ４７Ｃ３或者Ｃ２３Ｃ６，固溶体中沉淀出来，生成的碳化物每１％Ｃ约需要

，导致晶间铬含量降低，此时由于晶１０％～２０％Ｃｒ内与晶间之间元素存在浓度梯度，晶内的碳和铬同

时向晶间扩散，但是在４铬比碳的扩５０～８５０℃时，，散速度慢（因为原子半径Ｃ因ｒ＝１．２８，Ｃ＝０．７７１）此进一步形成的碳化铬所需要的铬仍然主要来源于晶粒边缘，导致使靠近碳化铬的薄层固溶体中严重使铬含量降到钝化所需要的最低含量（目前研缺铬，

究认为是１以下，这样当与腐蚀介质接触时，晶１％）间贫铬区域相对于碳化物和固溶体其他部分将形成

而发生严重的晶间腐蚀。小阳极对大阴极的微电池，

非敏化态晶间腐蚀一般不出现在存在贫铬晶界的

奥氏体不锈钢内，而是发生在固溶的奥氏体不锈钢中，此时的晶间腐蚀主要是钢中的杂质元素在晶界偏析引

／）／或硅（起的。当晶界处富集磷（１００１０００２０００～ｇｇｇμμ）就可以引起此类晶间腐蚀。预防非敏化态晶间腐蚀ｇ

的最好方法就是提高钢的纯度。

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间腐蚀有着重要影响。低碳奥氏体不锈钢（碳含量

有较强的抗晶间腐蚀的能力，超低碳奥氏．０７％）≤０

体不锈钢（碳含量≤０在通常的腐蚀环境中一．０３％）

般不会发生晶间腐蚀。

实验证明，在碳含量超过０随碳含．０３％以后，量增加晶间腐蚀的敏感性也有所增加，尤其是大于更为明显，因为碳含量增加，晶界的碳化０．０７％后，

贫铬更为严重，当含碳量小于物析出量也增加，

０．０２％时可以避免晶间腐蚀的发生。所以比较重要的具有敏化倾向的部位可以采用超低碳奥氏体不锈钢，例如：００Ｃｒ１７Ｎｉ１４Ｍｏ２、００Ｃｒ１８Ｎｉ１０、００Ｃｒ１９　　　　　１１、００Ｃｒ１７Ｎｉ１４Ｍｏ３等牌号。Ｎｉ　　　铌等元素３．２　钢中加入钛、

因为ＴＴｉ和Ｎｂ是碳化物稳定化元素，ｉ和Ｎｂ与Ｃ的结合能力比Ｃ含Ｔｒ与Ｃ的结合能力要高，ｉ或者Ｎｂ的不锈钢中大部分Ｃ与Ｔｉ或Ｎｂ结合形

不会再析出碳化铬（成稳定的ＴｉＣ或ＮｂＣ，Ｃｒ２３。为了促使Ｔ含ＴＣｉＣ或ＮｂＣ的析出，ｉＣ或ＮｂＣ６）

的不锈钢必须经过稳定化处理。

、稳定化处理一般是在固溶处理后进行，含Ｔｉ在固溶处理后，将钢加热到Ｎｂ的奥氏体不锈钢，

此时Ｃ８５０～８８０℃后保温５小时然后空冷，ｒ的碳化

物完全溶解，且在冷Ｔｉ或Ｎｂ的碳化物不完全溶解，使碳不可能再形成Ｃ却过程中充分析出，ｒ的碳化物，因而有效地消除了晶间腐蚀。典型的钢种有、、１Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ０Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔ、１Ｃｒ１８Ｎｉ１１Ｎｂ０Ｃｒ１８　　　　　

、１１Ｎｂ０Ｃｒ１８Ｎｉ１２Ｍｏ２Ｔｉ等等。Ｎｉ　　　３．３　重新固溶处理

经历过敏化加热或焊接的不锈钢构件可以重新

进行固溶处理，即在１０５０～１１５０℃范围内保温半小时以上，然后快冷，这样就会使已经析出的碳化铬重新溶解进入奥氏体，并将此状态保留到室温，这样钢的耐蚀性会有很大改善，如果在以后的使用过程中

就不会发生晶间腐蚀。不再经历敏化，３．４　冷加工变形

固溶处理后进行适当的冷加工，奥氏体组织中

如果随后不锈钢再经过敏的位错密度会大大增加，

化，一部分碳化物会沿位错线析出，从而沿晶界析出

的碳化铬减少，晶间腐蚀的敏感性降低。形成双相不锈钢３．５　调整钢中组织比例，

通过调整钢中奥氏体形成元素与铁素体形成元

使其具有奥氏体＋铁素体双相组织，其中素的比例，

铁素体占５％～１２％。这种双相组织不易产生晶间

腐蚀，这是因为铁素体铬含量高，能够补充晶界因形

３　防止晶间腐蚀的措施探讨

防止奥氏体不锈钢发生晶间腐蚀，可以从其发

生的机理出发，找到解决措施。此处主要讨论敏化态的晶间腐蚀的防止方法，个人认为可以从以下几个方面考虑：

３．１　降低奥氏体不锈钢中的含碳量

奥氏体不锈钢中，碳含量的大小对是否产生晶

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４．３　解决措施

依据上述防止方法的论述，首先是将支腿材质

，降低钢材内的含更换成低碳不锈钢０Ｃｒ１８Ｎｉ９Ｔｉ　碳量。其次是将炉膛操作温度由原来１１００℃降低，到１设计９同时将支腿的位置０００℃（００～１１００℃）使支腿处的温度由原来的紧靠炉壁处向外移１０ｃｍ，

降低到敏化温度以下，通过测量，此处温度一般在支腿发生因晶３５０～４００℃。通过以上方法处理后，间腐蚀而产生裂纹的倾向性大大降低，到目前为止已经运行７年未见裂纹。

成高铬碳化合物所引起的贫铬，所以具有良好的耐

比单纯的奥晶间腐蚀能力。又由于降低了镍含量，

氏体不锈钢强度高。双相不锈钢由于具有奥氏体和

铁素体的共同优点，所以近年来发展较快，从分类方已经成为一种新的不锈钢种类。面讲，

４　晶间腐蚀案例分析

此处对丙烯腈装置废水焚烧炉Ｆ３０１防雨帽支－腿发生晶间腐蚀进行分析。４．１　支腿工况

支腿的作用是固定防雨帽，位于焚烧炉顶部，共

规格为Ф材质为１１０根，５７×３．５的不锈钢管，Ｃｒ１８　，接触的介质是废物焚烧后的尾气（含三氧化Ｎｉ９Ｔｉ

、硫、二氧化碳等）空气、水汽等。支腿使用一年后检查发现有９根支腿在上下焊口或焊口附近处产生了

裂纹，其中一根完全断裂，其余裂纹长度在１～５ｃｍ之间。４．２　原因分析

焚烧炉的尾气温度在６正好处在奥００～７００℃，氏体不锈钢的敏化温度范围内（敏化温度４５０～，最危险温度范围是６虽然１８５０℃，００～７５０℃）Ｃｒ

，但是由于Ｃ含量１８Ｎｉ９Ｔｉ中加入了稳定化元素Ｔｉ

高，而且长期处在敏化温度范围内，因此支腿发生了晶间腐蚀，并由于焊口处或焊接热影响区的金相组织发生了变化所以此处晶间腐蚀倾向性更严重，产生了微裂纹，再由于介质具有腐蚀性，在拉应力的作用下引发应力腐蚀，以上两种腐蚀共同作用，造成支腿焊口开裂。

５　结束语

由于奥氏体不锈钢具有优良的综合性能和成熟

的加工制造工艺，所以应用会更加广泛，但是其易发生晶间腐蚀的特性不容忽视，在工程实际应用过程中，要从设计、选材、制造、安装、操作维护等各环节加以注意，最好从源头上避免发生晶间腐蚀，也就是使奥氏体不锈钢的工作温度避开敏化区域，否则要从设计角度上考虑使用应用其它材质，如双相不锈

超级不锈钢等。钢、

参考文献

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