晶間腐蝕是一種危險的破壞形式。18-8型奧氏體不銹鋼管焊接接頭一般有3個部位會出現(xiàn)晶間腐蝕現(xiàn)象,如圖3-5所示。值得注意的是,在同一個接頭上并不能同時看到3種晶間腐蝕區(qū),這取決于鋼的成分。
一、焊縫區(qū)晶間腐蝕
焊縫金屬產(chǎn)生晶間腐蝕一般有兩種情況:一是在焊態(tài)(即焊后未經(jīng)熱處理的狀態(tài)),已有鉻的碳化物的沉淀,因而形成貧鉻層,它容易出現(xiàn)在焊接線能量過大或多層焊的條件下;二是在焊態(tài)具有較好的耐蝕性,如果焊后經(jīng)受了敏化加熱的條件,同樣產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。
在一般情況下,焊縫金屬中碳含量對晶間腐蝕作用相當(dāng)大。碳含量越高,晶間腐蝕傾向越大。因此為了防止晶間腐蝕應(yīng)盡量降低碳含量,常用超低碳焊條或焊絲。
除盡量降低焊縫金屬碳含量之外,還可以向焊縫金屬中添加一定量的穩(wěn)定化元素,如鈦、鈮等,焊縫金屬中碳含量越高時,添加穩(wěn)定化元素數(shù)量相應(yīng)越多。因為穩(wěn)定化元素鈦或鈮對氮也有很大的親和力,在焊縫中不僅與碳結(jié)合,也可與氮結(jié)合,鈦或鈮的數(shù)量適量時能夠穩(wěn)定地固定碳。研究表明:18-8Ti鋼及其焊接接頭,通過GB/T 4334標(biāo)準(zhǔn)中的試驗方法X法、T法及陽極法試驗,當(dāng)鈦含量下限符合wTi/(wc-0.02)≥8.5~9.5時耐腐蝕性能最好。
通常調(diào)整焊縫金屬組織,同樣可以改善焊縫金屬抗晶間腐蝕能力。單相奧氏體組織的焊縫金屬具有方向性強(qiáng)的柱狀晶特征,經(jīng)敏化處理后,如果出現(xiàn)貧鉻層可以貫穿于晶粒之間而能構(gòu)成腐蝕介質(zhì)的集中通道,因而具有較大的晶間腐蝕傾向,如圖3-6所示。若焊縫為γ+δ雙相組織時,樹枝晶被打散,對腐蝕介質(zhì)不能構(gòu)成集中的腐蝕通道,可以降低晶間腐蝕傾向。另外δ相的鉻、碳化鉻含量高,可以優(yōu)先在8相內(nèi)部邊緣沉淀,而不致在γ晶粒的晶界形成貧鉻層,因此有δ相存在是有利的。
綜上所述,對于奧氏體不銹鋼管焊縫金屬,8相的數(shù)量為4%~12%比較適宜。實踐證明,5%左右的δ相可以獲得比較滿意的抗晶間腐蝕性能。
二、母材上敏化區(qū)晶間腐蝕
母材上敏化區(qū)(450~850℃)晶間腐蝕的原因,如同焊縫金屬晶間腐蝕,在母材不含穩(wěn)定化元素或碳含量較高時,經(jīng)過焊接熱循環(huán)的作用,有敏化區(qū)產(chǎn)生,但熱影響區(qū)的敏化區(qū)溫度范圍是600~1000℃。這是因為焊接是一個快速的連續(xù)加熱過程,而鉻碳化物的沉淀是一個擴(kuò)散過程,這樣就需要有足夠的時間才能充分進(jìn)行擴(kuò)散,所以焊接時鉻碳化物的沉淀析出必然需要較大的過熱度。
因此,為防止在母材上產(chǎn)生敏化區(qū)腐蝕,選材料時,盡量降低鋼的碳含量或選含有適量的穩(wěn)定化元素的材料。制定工藝時,盡量減少熱影響區(qū)處于敏化溫度區(qū)間的時間、即采用小的焊接線能量或強(qiáng)制冷卻,以加快冷卻速度。
三、刀蝕
刀蝕與焊縫金屬晶間腐蝕產(chǎn)生條件不同,刀蝕只發(fā)生在含穩(wěn)定化元素的奧氏體不銹鋼管接頭的過熱區(qū)中,并且緊鄰焊縫(含熔合區(qū)),腐蝕區(qū)寬度最大可達(dá)1.0~1.5mm,具有晶間破壞性質(zhì)。
超低碳奧氏體不銹鋼一般無刀蝕現(xiàn)象。刀蝕是焊接接頭出現(xiàn)的一種特殊形式的晶間腐蝕,也是和鉻的碳化物(M23C6)的沉淀有密切關(guān)系的。如圖3-7所示,從整個熱影響區(qū)碳化物分布情況看,發(fā)生刀蝕的部位正是M23C6(Cr23C6)沉淀最顯著的部位。其產(chǎn)生原因應(yīng)從高溫過熱和中溫敏化兩個順序作用的熱過程所引起的變化來分析。
奧氏體鋼供貨狀態(tài)一般為固溶處理。以碳含量小于0.08%的18-8Ti鋼為例,一般經(jīng)1050~1150℃水淬固溶。這種鋼中少部分碳(約0.02%)和極少量的鈦溶入固溶體,其余大部分碳與鈦結(jié)合成為游離的TiC,因為溫度在1150℃以下時TiC在鋼中的溶解度是很小的,如圖3-8所示,若有少數(shù)碳同鉻結(jié)合成Cr23C6時,在固溶處理時必須全部溶入固溶體。但是焊接時,在溫度超過1200℃的過熱區(qū)中,首先TiC可以不斷地向奧氏體中溶解而形成固溶體。峰值溫度越高,TiC的固溶量越多。這時在過熱區(qū)中只有少量大塊的TiC和TiN不能發(fā)生固溶,TiC溶解時,分離出來的碳原子將插入到奧氏體點(diǎn)陣間隙中,而鈦則占據(jù)奧氏體點(diǎn)陣節(jié)點(diǎn)的空缺位置。隨后冷卻時,由于高溫下碳原子極為活躍,比鈦的擴(kuò)散能力強(qiáng),碳原子將趨向奧氏體晶粒邊界擴(kuò)散移動,鈦則來不及擴(kuò)散而仍保留在奧氏體點(diǎn)陣節(jié)點(diǎn)上。因此,碳析出后集中于晶界附近成為過飽和狀態(tài)。若隨后再經(jīng)450~850℃中溫敏化加熱,碳原子可以優(yōu)先以很快的速度向晶粒邊界擴(kuò)散,使晶界更富集碳。此時,鉻的擴(kuò)散雖不如碳快,但比鈦的擴(kuò)散要快,因而易于在晶界附近形成鉻化物Cr23C6的沉淀。TiC固溶量越多的部位,Cr23C6的沉淀量越大,這個部位的晶間腐蝕傾向顯得越嚴(yán)重。即刀蝕區(qū)和鉻碳化物Cr23C6的沉淀分布是一致的,因而表面為近縫區(qū)刀狀腐蝕。由此可見,高溫過熱和中溫敏化的敏化順序加熱是產(chǎn)生刀蝕的必要條件。
為防止產(chǎn)生刀蝕,通常采用超低碳不銹鋼。有穩(wěn)定化元素的不銹鋼管,碳含量應(yīng)小于0.06%。在焊接工藝上,要減少近縫區(qū)過熱,要避免焊接時產(chǎn)生中溫敏化的加熱作用。如面向腐蝕介質(zhì)的焊縫最后焊接,盡可能避免交叉焊縫,減少焊縫的接頭等。雙面焊縫中接觸腐蝕介質(zhì)的第1面焊縫無法安排在最后焊接時,應(yīng)調(diào)整焊縫尺寸形狀及焊接規(guī)范;使第2面焊縫產(chǎn)生的敏化溫度區(qū)(600~1000℃)不落在第1面焊縫的過熱區(qū)上,如圖3-9(a)所示,否則,出現(xiàn)如圖3-9(b)的情況時就會產(chǎn)生刀蝕。也可應(yīng)用焊后穩(wěn)定化處理改善抗刀蝕。