奧氏體不銹鋼及其復(fù)合板熱加工與敏化溫度

發(fā)布日期：2015-02-16 09:52:34

　　在不銹鋼復(fù)合板中,強(qiáng)度由碳素鋼承擔(dān),耐腐蝕性由不銹鋼承擔(dān)。實(shí)際使用中奧氏體不銹鋼存在晶間腐蝕問題,而其在敏化溫度區(qū)停留時(shí)會(huì)產(chǎn)生晶界貧鉻現(xiàn)象,為發(fā)生晶間腐蝕留下隱患,因此,對(duì)其進(jìn)行熱加工應(yīng)避開這一區(qū)域。筆者將對(duì)敏化溫度區(qū)熱加工的可行性進(jìn)行探討。
1 晶間腐蝕機(jī)理
晶間腐蝕是因金屬晶界上狀態(tài)(成分、組織或應(yīng)力)與晶內(nèi)不同而降低了晶界的化學(xué)穩(wěn)定性,在腐蝕介質(zhì)作用下晶界遭到破壞的現(xiàn)象。晶間腐蝕速度比一般均勻腐蝕速度快得多,產(chǎn)生晶間腐蝕的金屬電阻增加,強(qiáng)度與塑性下降,嚴(yán)重時(shí)表面出現(xiàn)龜裂。當(dāng)晶間腐蝕已經(jīng)發(fā)生時(shí),不銹鋼表面仍能保持金屬光澤,但會(huì)突然間開裂甚至爆炸,危害極大。易擴(kuò)散到晶界與鉻結(jié)合,使晶界上的鉻含量下降。晶粒內(nèi)的鉻也會(huì)向晶界擴(kuò)散補(bǔ)充,但該能力遠(yuǎn)小于碳原子,難以補(bǔ)充晶界上的損失,故當(dāng)ω(Cr)<12%時(shí),就有可能產(chǎn)生晶間腐蝕。
碳化鉻析出是原子在固態(tài)時(shí)的擴(kuò)散過程,溫度和時(shí)間對(duì)這一過程影響很大。溫度很低時(shí),碳原子無力擴(kuò)散,碳化鉻不可能在晶界出現(xiàn),也不發(fā)生晶界貧鉻現(xiàn)象。溫度升高,碳化鉻析出能力增加,碳原子向晶界擴(kuò)散能力比鉻原子向晶界擴(kuò)散補(bǔ)充的能力增加得快,故溫度升高會(huì)加速晶界貧鉻。溫度升得較高時(shí),奧氏體含碳能力上升,碳過飽和度下降,碳擴(kuò)散能力更高,但向晶界擴(kuò)散量減小,而鉻向晶界補(bǔ)充能力卻隨溫度升高而增加,故溫度高到一定程度后,形成晶界貧鉻的時(shí)間反而更長(zhǎng),當(dāng)達(dá)到某足夠高溫度時(shí),碳過飽和問題不存在,不會(huì)發(fā)生晶界貧鉻現(xiàn)象。故固熔態(tài)奧氏體不銹鋼只有在適當(dāng)溫度范圍受熱停留才產(chǎn)生晶界貧鉻,實(shí)驗(yàn)證明該溫度是450～850℃,稱為敏化溫度。文[1]中規(guī)定為427～871℃。
奧氏體不銹鋼在敏化溫度區(qū)受熱時(shí),隨時(shí)間延長(zhǎng)晶界上碳化物逐漸增多直至飽和。受熱時(shí)間短,碳化鉻析出少,晶界鉻含量不會(huì)小于12%,無晶間腐蝕危險(xiǎn)。若受熱時(shí)間足夠長(zhǎng),碳化鉻停止析出,而鉻原子仍向晶界擴(kuò)散補(bǔ)充,隨時(shí)間延長(zhǎng),晶界鉻含量總會(huì)大于13%,從而消除晶界貧鉻,鋼在腐蝕介質(zhì)晶間腐蝕機(jī)理尚未完全研究清楚,對(duì)于1828系列奧氏體不銹鋼,一般認(rèn)為是因晶間貧鉻造成。當(dāng)ω(Cr)>13%時(shí),其表面能生成堅(jiān)硬的Cr2O3薄膜,對(duì)內(nèi)部起保護(hù)作用,且金屬電位升高,具有抗腐能力。當(dāng)ω(Cr)<12%時(shí),耐腐蝕能力顯著下降。常用的奧氏體不銹鋼是固熔態(tài),碳過飽和存在于奧氏體中,溫度偏高時(shí),過飽和碳會(huì)形成穩(wěn)定的鉻含量較高的Cr7C3及Cr23C13等,它們析出會(huì)帶出大量鉻離子,使晶粒鉻含量不均勻下降,常集中于晶界。主要原因是碳原子體積小,在金屬中擴(kuò)散能力較大,很容中不發(fā)生晶界腐蝕。要重新補(bǔ)足晶界鉻原子含量,在較低溫度下需很長(zhǎng)時(shí)間,甚至僅在理論上可行。
奧氏體不銹鋼晶界貧鉻除與受熱溫度和時(shí)間有關(guān)外,還與鋼的化學(xué)成分有關(guān),降低含碳量,使用超低碳材料,增加比鉻有更好親碳性的穩(wěn)定性元素,如Ti、Nb、V、Mo及Mn等,可有效防止晶間腐蝕的發(fā)生。
2 敏化溫度區(qū)熱加工可行性分析在敏化溫度區(qū)停留,不銹鋼會(huì)發(fā)生滲碳,產(chǎn)生晶界貧鉻,故一般不要在其中進(jìn)行熱加工。但在什么溫度下停留多長(zhǎng)時(shí)間會(huì)發(fā)生晶界貧鉻,不同材質(zhì)的奧氏體不銹鋼有多大區(qū)別等問題尚待解決。驗(yàn),證明發(fā)生了晶間腐蝕。進(jìn)行950℃、45min正火處理后對(duì)封頭坡口余料再做試驗(yàn),未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕。
3 結(jié)語(yǔ)奧氏體不銹鋼及其復(fù)合鋼板易發(fā)生晶間腐蝕,一般應(yīng)避開在敏化溫度區(qū)進(jìn)行熱加工,不能避開的應(yīng)盡量選用超低碳或加穩(wěn)定性元素的材料。若不能更換材料,應(yīng)對(duì)不銹鋼進(jìn)行固溶處理,對(duì)復(fù)合鋼板進(jìn)行正火處理。
6種常用不銹鋼在不同溫度下從開始發(fā)生滲碳到滲碳嚴(yán)重,直至產(chǎn)生晶界貧鉻的溫度時(shí)間狀態(tài)曲線見圖1。以圖1a為例,開始時(shí)材料沒有滲碳,對(duì)應(yīng)圖中A部分,金相組織見圖2a。在650℃進(jìn)行加工或熱處理時(shí),大約10min就開始發(fā)生滲碳,對(duì)應(yīng)圖中B部分,金相組織見圖2b。

180min滲碳嚴(yán)重,產(chǎn)生晶界貧鉻,對(duì)應(yīng)圖中C部分,金相組織在敏化溫度區(qū)進(jìn)行熱加工是可行的,但溫度與時(shí)間一定要適宜。對(duì)超低碳或加穩(wěn)定性元素的材料,加工可選擇性較大。對(duì)一般304等1828不銹鋼及復(fù)合板,要完成熱加工基本不可能,較好的解決方案是更換超低碳或加穩(wěn)定性元素的材料。若不能更換材料,應(yīng)重新進(jìn)行固溶處理。對(duì)復(fù)合板,因存在基層,不可能做固溶處理,應(yīng)考慮用不低于950℃的正火處理,可基本恢復(fù)材料性能。

以上工藝在16MnR+304封頭加工中得到了應(yīng)用并被證實(shí)有效。對(duì)該封頭先熱旋壓加工(850℃、20min),取滲碳嚴(yán)重且產(chǎn)生晶界貧鉻的封頭坡口余料做晶間腐蝕試