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(耐空气腐蚀)和耐酸钢(耐酸腐蚀)的统称。在化工生产中,很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、电化学保护等措施,主要采用耐腐蚀材料。在化工生产中采用的耐腐蚀金属材料中最主要的就是不锈钢。世界镍产量的40%、铬产量的80%用于生产不锈钢。不锈钢的分类方法比较多,通常按照钢的组织结构分为铁素体钢、马氏体钢、奥氏体钢、奥氏体-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70%,钢号种类也最多。
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合金元素,使之在室温维持完全的奥氏体相组织。奥氏体不锈钢化学组成有Cr-Ni和Cr-Mn两个系列,根据使用环境的不同再添加Mo、N、Cu、Si、Ti、Nb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,已经钝化性不大,但当它具有晶间腐蚀的敏感性时,晶间活性很大,即晶格粒与晶界之间存在着一定的电位差,这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局部腐蚀蚀。此外晶界存在杂质时,在一定条件下也会引起晶间腐蚀。
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,在应力和介质的共同作用下,可使不锈钢、铝合金等诱发晶间应力腐蚀,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“贫铬学说”。奥氏体不锈钢因热处理或者焊接等原因引起其经历450~850℃,此时晶间的铬和碳化合成为(Cr、Ni、Fe)4C、(Cr、Ni、Fe)7C3或者Cr23C6,并从固溶体中沉淀出来,生成的碳化物每1%C约需要10%~20%Cr,导致晶间铬含量降低,此时由于晶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450~850℃时,铬比碳的扩散速度慢(因为原子半径Cr=1.28,C=0.771),因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缺铬,使铬含量降到钝化所需要的最低含量(目前研究认为是11%)以下,这样当与腐蚀介质接触时,晶间贫铬区域相对于碳化物和固溶体其他部分将形成小阳极对大阴极的微电池,而发生严重的晶间腐蚀。
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起的。当晶界处富集磷(100μg/g)或硅(1000~2000μg/g)就可以引起此类晶间腐蚀。预防非敏化态晶间腐蚀的最好方法就是提高钢的纯度。