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個部位會出現晶間腐蝕現象,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,這取決于鋼的成分。
一、焊縫區晶間腐蝕
焊縫金屬產生晶間腐蝕一般有兩種情況:一是在焊態(即焊后未經熱處理的狀態),已有鉻的碳化物的沉淀,因而形成貧鉻層,它容易出現在焊接線能量過大或多層焊的條件下;二是在焊態具有較好的耐蝕性,如果焊后經受了敏化加熱的條件,同樣產生晶間腐蝕傾向。
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定化元素,如鈦、鈮等,焊縫金屬中碳含量越高時,添加穩定化元素數量相應越多。因為穩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合,也可與氮結合,鈦或鈮的數量適量時能夠穩定地固定碳。研究表明:18-8Ti鋼及其焊接接頭,通過GB/T 4334標準中的試驗方法X法、T法及陽極法試驗,當鈦含量下限符合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的柱狀晶特征,經敏化處理后,如果出現貧鉻層可以貫穿于晶粒之間而能構成腐蝕介質的集中通道,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,對腐蝕介質不能構成集中的腐蝕通道,可以降低晶間腐蝕傾向。另外δ相的鉻、碳化鉻含量高,可以優先在8相內部邊緣沉淀,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、母材上敏化區晶間腐蝕
母材上敏化區(450~850℃)晶間腐蝕的原因,如同焊縫金屬晶間腐蝕,在母材不含穩定化元素或碳含量較高時,經過焊接熱循環的作用,有敏化區產生,但熱影響區的敏化區溫度范圍是600~1000℃。這是因為焊接是一個快速的連續加熱過程,而鉻碳化物的沉淀是一個擴散過程,這樣就需要有足夠的時間才能充分進行擴散,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,為防止在母材上產生敏化區腐蝕,選材料時,盡量降低鋼的碳含量或選含有適量的穩定化元素的材料。制定工藝時,盡量減少熱影響區處于敏化溫度區間的時間、即采用小的焊接線能量或強制冷卻,以加快冷卻速度。
三、刀蝕
刀蝕與焊縫金屬晶間腐蝕產生條件不同,刀蝕只發生在含穩定化元素的奧氏體不銹鋼管接頭的過熱區中,并且緊鄰焊縫(含熔合區),腐蝕區寬度最大可達1.0~1.5mm,具有晶間破壞性質。
超低碳奧氏體不銹鋼一般無刀蝕現象。刀蝕是焊接接頭出現的一種特殊形式的晶間腐蝕,也是和鉻的碳化物(M23C6)的沉淀有密切關系的。如圖3-7所示,從整個熱影響區碳化物分布情況看,發生刀蝕的部位正是M23C6(Cr23C6)沉淀最顯著的部位。其產生原因應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。
奧氏體鋼供貨狀態一般為固溶處理。以碳含量小于0.08%的18-8Ti鋼為例,一般經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,若有少數碳同鉻結合成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。這時在過熱區中只有少量大塊的TiC和TiN不能發生固溶,TiC溶解時,分離出來的碳原子將插入到奧氏體點陣間隙中,而鈦則占據奧氏體點陣節點的空缺位置。隨后冷卻時,由于高溫下碳原子極為活躍,比鈦的擴散能力強,碳原子將趨向奧氏體晶粒邊界擴散移動,鈦則來不及擴散而仍保留在奧氏體點陣節點上。因此,碳析出后集中于晶界附近成為過飽和狀態。若隨后再經450~850℃中溫敏化加熱,碳原子可以優先以很快的速度向晶粒邊界擴散,使晶界更富集碳。此時,鉻的擴散雖不如碳快,但比鈦的擴散要快,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重。即刀蝕區和鉻碳化物Cr23C6的沉淀分布是一致的,因而表面為近縫區刀狀腐蝕。由此可見,高溫過熱和中溫敏化的敏化順序加熱是產生刀蝕的必要條件。
為防止產生刀蝕,通常采用超低碳不銹鋼。有穩定化元素的不銹鋼管,碳含量應小于0.06%。在焊接工藝上,要減少近縫區過熱,要避免焊接時產生中溫敏化的加熱作用。如面向腐蝕介質的焊縫最后焊接,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的第1面焊縫無法安排在最后焊接時,應調整焊縫尺寸形狀及焊接規范;使第2面焊縫產生的敏化溫度區(600~1000℃)不落在第1面焊縫的過熱區上,如圖3-9(a)所示,否則,出現如圖3-9(b)的情況時就會產生刀蝕。也可應用焊后穩定化處理改善抗刀蝕。