回火工艺对奥氏体晶间腐蚀的影响.docx

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回火工艺对奥氏体晶间腐蚀的影响

回火工艺对奥氏体不锈钢晶间腐蚀倾向的影响

摘要：

不锈钢中的各种合金元素能够显著提高钢体的电极电位从而提高不锈钢的耐腐蚀性能。

通过将固溶处理后的材料进行回火可以使晶界附近的合金元素析出，从而使晶界处丧失耐腐蚀性。

用不同的回火工艺可以造成不同程度的合金元素析出，进而使晶界处的抗腐蚀能力产生区别。

一般来说，回火温度越低析出程度越小，温度越高析出程度越大，保温时间延长也有利于溶质析出。

析出产物的增多并沿晶界连续，使不锈钢的小晶间腐蚀倾向大大增加。

但是加热温度和保温时间超过一定限度后，Cr扩散速度和C的差距减小，并且晶界处析出的合金元素会反而向晶粒内部扩散，使腐蚀产物不再连续并减小晶间腐蚀倾向。

本实验对奥氏体不锈钢1Cr18Ni9Ti进行固溶处理并在450℃、680℃、800℃下进行不同的回火处理,对热处理后的试件做晶间腐蚀实验。

结果发现：

固溶处理后该材料没有晶间腐蚀发生。

固溶处理的奥氏体不锈钢采用2h回火，随回火温度提高晶间腐蚀倾向增加，在680℃回火后抗晶间腐蚀性能最差，继续增加回火温度晶间腐蚀倾向减少。

680℃不同时间回火后，随保温时间延长晶间腐蚀倾向先增加后降低。

关键词：

不锈钢固溶处理回火晶间腐蚀

InfluenceofTemperingprocessonintergranularcorrosiontendofausteniticstainlesssteel

Abstract:

Thevariouskindsofalloyingelementsinthestainlesssteelcangreatlyenhancetheelectrodepotentialofthesteel,therebyimprovingthecorrosionresistanceofthematerial.Bybeingtemperedafterthesolutiontreatment,thestainlesssteelmaterialwilllosethealloyingelementsnearbythegrainboundary,andthuslosethecorrosionresistancegreatly.Differenttemperingmethodsleadtoadifferenceindegreeinthealloyingelementsexhalationandthusadifferenceinthegrainboundarycorrosionresistancecapability.Thereforewecancomparethealloyingelementsexhalationcausedbydifferenttemperingmethodsbyobservingthecorrosionnearthegrainboundary.Solutiontreatmentisatreatmentofthepre-processing,anditcanmakethedistributionofthealloyingelementsexhalationinthematerialmoreuniform.Generallyspeaking,thelowerthetemperingtemperatureis,thelesstheexhalationwillbe.Thehigherthetemperingtemperatureis,thegreatertheexhalationwillbe.Insulationprolongedalsoconducivetosoluteexhalation.However,whenthetemperingtemperatureortheheatpreservationtimeisaboveacertainvalue,thegapbetweentheCrandtheCdiffusionspeedwillbereducedandelementprecipitationnearthegrainboundarywilldiffuseintotheinternalgraininreverse,makingthecorrosionproductsnolongercontinuousandreducingthetendencyoftheintergranularcorrosion.

Weconductthesolutiontreatmentonthe1Cr18Ni9Tiausteniticstainlesssteelandconductvarioustemperingheattreatmentunderdifferenttemperatureof450℃、680℃、800℃.Finallyweconducttheintergranularcorrosiontreatmentonthespecimensandgettheresultsbelow.Firstly,thecorrosiondoesn’thappenafterthesolutiontreatment.Secondly,whenthematerialgetthe2htemperingtreatment,asthetemperingtemperatureincreases,thetendencyoftheintergranularcorrosionincreasesanditgetsitsworstcorrosionresistanceafterthe680℃temperingtreatment.Thatmeansifyoucontinueincreasingthetreatmenttemperature,thetendencyofthecorrosionwillbereducedinreverse.Ifwemakethe680℃temperingtemperatureunchangedandchangethetemperingtime,thecorrosiontendencywillbeincreasedfirstandreducedlaterasthesoakingtimeincreases.

Keywords:

stainlesssteelsolutiontreatmenttemperingintergranularcorrosion

目录

第一章绪论1

1.11Cr18Ni9Ti的概况1

1.2奥氏体不锈钢的晶间腐蚀1

1.2.1晶间腐蚀的定义和特点1

1.2.2合金元素对不锈钢晶间腐蚀的影响1

1.3奥氏体不锈钢的热处理2

1.3.1固溶处理2

1.3.2敏化处理2

1.3.3稳定化处理3

1.3.4去应力处理3

1.4加热温度和保温时间对奥氏体不锈钢晶间腐蚀的影响3

第二章实验方法4

2.1实验材料及设备4

2.2实验方法4

2.2.1热处理实验4

2.2.2晶间腐蚀实验4

第三章实验结果及分析6

3.1回火温度对晶间腐蚀的影响6

3.2回火时间对晶间腐蚀的影响8

第四章实验结论10

参考文献11

第一章绪论

1.11Cr18Ni9Ti的概况

1Cr18Ni9Ti钢属通用型铬—镍奥氏体不锈钢。

钢中加入钛是为了防止一般奥氏体钢经500-800度范围内保温后出现的晶间腐蚀倾向。

但是解决晶间腐蚀最根本的措施是把钢中碳含量降低0.03％以下。

在国外，1Cr18Ni9Ti钢的产量很低，已由00Cr18Ni10及0Cr18Ni10钢所代替。

今后我国也要逐步限制1Cr18Ni9Ti钢的产量。

1Cr18Ni9Ti钢具有优良的抗氧化酸均匀腐蚀性，但是耐应力腐蚀性和耐点蚀性能较差。

它具有良好的延性和韧性以及冲压性和拉伸性能，直到196℃仍具有优良的冲击韧性。

这种钢不能用热处理强化，冷加工是强化的唯一手段。

钢的可焊性良好，可用各种方法进行焊接，在不要求耐晶间腐蚀的情况下，焊后一般不需要热处理。

该钢是我国奥氏体不锈钢中产量最多的一种。

它广泛用于航空、航天、化工、食品、医疗等各部门。

1.2奥氏体不锈钢的晶间腐蚀

1.2.1晶间腐蚀的定义和特点

晶间腐蚀是金属材料在特定的腐蚀介质中沿着材料的晶粒边界或晶界附近发生腐蚀，使晶粒之间丧失结合力的一种局部破坏的腐蚀现象。

晶间腐蚀是一种危害性很大的局部腐蚀，因为材料产生这种腐蚀后，宏观上可能没有任何明显的变化，但材料的强度几乎完全丧失，经常导致设备的突然破坏。

再者，晶问腐蚀常常会转变为沿晶应力腐蚀开裂，成为应力腐蚀裂纹的起源。

在极端的情况下，可以利用材料的晶间腐蚀过程制造合金粉末。

1.2.2合金元素对不锈钢晶间腐蚀的影响

不锈钢中碳含量愈高，它的耐蚀性愈差。

之所以如此，是因为碳的含量愈高，不锈钢中的阴相（碳化物）就愈多，特别是碳与铬能形成合金碳化物Cr23C6会在晶界析出，使晶界周围基体严重贫铬，当铬贫化到耐蚀所必需的最低含量（约为12％）以下时，贫铬区迅速被腐蚀，造成沿晶界发展的晶间腐蚀，该钢含碳约为0．1％～0．2％。

但用于制造刃具和滚动轴承的不锈钢，碳含量应较高（可达0．85％～0．95％），目的在于提高硬度。

铬是奥氏体不锈钢的主加元素。

之所以铬是不锈钢的主加元素，首先是因为铬能显著提高不锈钢基体的电极电位。

根据n／8规律，当铬含量为12．5％原子百分数时，基体电极电位可由-0．56V跃升至+0．12V。

其次，铬还是铁素体形成元素，当其含量超过12．7％时，可使钢成单一的铁素体组织，这对于提高合金的抗蚀性极为有利。

另外，铬在氧化性介质（如水蒸气、大气、海水等）中极易钝化，会在合金表面形成致密的氧化膜，从而使合金的耐蚀性明显提高。

加入钛、铌等碳化物形成元素，使之优先同碳形成稳定的碳化物，而将Cr保留在基体中，从而避免晶界贫铬，达到避免或减轻合金的晶界腐蚀倾向。

1.3奥氏体不锈钢的热处理

1.3.1固溶处理

将钢加热到1050~1150℃后水淬，主要目的是使碳化物溶于奥氏体中，并将此状态保留至室温，这样，钢的耐蚀性会有很大的改善。

为了防止晶间腐蚀，通常采用固溶化处理，使碳化物溶于奥氏体中，然后迅速冷却。

对于薄壁件可采用空冷，一般情况下采用水冷。

1.3.2敏化处理

奥氏体不锈钢在铬的碳化物沿其晶界析出（precipitate）的温度保持足够长的时间而引起对晶界腐蚀敏感的现象称敏化。

导致金属材料晶界腐蚀倾向性增大的热处理称敏化处理，使敏化现象最明显的温度叫做敏化温度。

敏化处理通常用来考察奥氏体不锈钢成型后的晶界腐蚀倾向。

在腐蚀试验前需要敏化处理的钢种有超低碳钢（c≤0．03％）（extralowcarbon）和稳定化钢种（添加Ti或Nb）（stabilizedgrades）。

含碳量大于0．030％，不含稳定化元素的钢种不进行敏化处理。

敏化处理通常采用加热650℃，压力加工试样保温2h，铸件保温1h，空冷。

焊接试样，直接以焊后状态进行试验。

对焊后还要进行350℃以上热加工的焊接件，试样在焊接后也应进行敏化处理。

1.3.3稳定化处理

一般是在固溶处理后进行，常用于含Ti、Nb的18-8钢。

固溶处理后，将钢加热到850~880℃保温后空冷，此时Cr的碳化物完全溶解，而钛的碳化物不完全溶解，且在冷却过程中充分析出，使碳不可能再形成鉻的碳化物，因而有效地消除了晶间腐蚀。

1.3.4去应力处理

去应力处理是消除钢在冷加工或焊接后的残余应力的热处理工艺。

一般加热到300~350℃回火。

对于不含稳定化元素Ti、Nb的钢，加热温度不超过450℃,以免析出Cr的碳化物而引起晶间腐蚀。

对于超低碳和含Ti、Nb不锈钢的冷加工件和焊接件，一般是不低于850℃加热，然后缓冷，消除应力（消除焊接应力取上限温度），可以减轻晶间腐蚀倾向，并提高钢的应力腐蚀抗力。

1.4加热温度和保温时间对奥氏体不锈钢晶间腐蚀的影响

晶间腐蚀倾向与碳化物析出有关，固溶处理后在温度高于750℃以上时，析出的碳化物是不连续的颗粒，Cr的扩散也容易，所以不产生晶间腐蚀；在600～700℃之间析出连续的网状Cr23C6，晶间腐蚀最严重；温度低于600℃时，Cr和C的扩散速度随温度降低而减慢，需要更长的时间才能析出碳化物；当温度低于450℃时就难于产生晶间腐蚀了。

这种表明晶间腐蚀倾向与加热温度和保温时间关系的曲线称为TIS曲线或是温度-时间-敏化图。

每种合金都可以通过实验测出这样的曲线。

利用TIS曲线，可以帮助制订正确的不锈钢热处理制度和焊接工艺。

为使奥氏体不锈钢不产生晶间腐蚀倾向，可加热至1050～1100℃，迅速冷却，使冷却曲线不与碳化物沉淀曲线相交，这就是通常所说的固溶处理。

第二章实验方法

2.1实验材料及设备

实验材料为1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢试样6个。

实验设备主要有高温热处理炉，金相显微镜，抛光设备，供晶间腐蚀实验用的直流电源等。

2.2实验方法

2.2.1热处理实验

由于奥氏体不锈钢的固溶处理温度为1050~1150℃，故固溶处理工艺确定为：

1050℃加热，保温1h后水冷。

将6个固溶处理后的试样编号。

1、2、3、4、5试样用不同回火工艺进行回火。

具体回火工艺参数见表2.1。

表2.1回火工艺参数

试样编号回火温度回火时间

1450℃2h

2800℃2h

3680℃0.5h

4680℃2h

5680℃8h

2.2.2晶间腐蚀实验

将所有试件进行打磨抛光。

把浸蚀试样作为阳极，倒入10%草酸溶液（100g草酸溶于900g水中），以不锈钢杯作为阴极，接通电路。

电流密度为1A/cm2，时间90s，浸蚀溶液温度20~50℃。

晶间腐蚀实验原理如图2.1所示。

浸蚀后用流水冲洗试件并用风筒吹干试件。

并在显微镜下观察不同回火处理后试样晶间腐蚀的组织特征。

图2.1晶间腐蚀实验原理图

1-不锈钢杯；2-试样；3-直流电源；4-电阻器；

5-电流表；6-开关

第三章实验结果及分析

奥氏体不锈钢固溶处理后，在回火过程中过饱和碳部分或全部以Cr23C6形式在晶界析出。

Cr23C6析出后，碳化物附近的碳与铬的浓度急剧下降，沿晶界出现贫铬区。

当处于适宜的介质条件下，就会形成腐蚀原电池，Cr23C6及晶粒为阴极，贫铬区为阳极而遭受腐蚀。

形成沿晶界分布的腐蚀沟，即晶间腐蚀。

1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢固溶处理后再经晶间腐蚀实验后不锈钢试件的显微组织见图3.1。

固溶处理后未进行回火的不锈钢试件经腐蚀后在显微镜中看不到明显的腐蚀迹象，晶界腐蚀特别浅且基本上都是孪晶界。

金相中呈现出一定的阶梯组织特征。

说明固溶处理后溶质元素都均匀地溶入了不锈钢基体中，因此，在晶界中并没有碳化物存在。

在随后的电化学腐蚀中由于晶界处没有碳化物析出而没有形成发生原电池反应的所需的条件，即晶粒内的电位与晶界处的相同，构不成原电池反应，因此没有晶间腐蚀现象出现。

图3.1固溶处理后腐蚀的不锈钢试件组织

由于1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢Ni的含量较高，C的固溶度因此降低，固溶处理后回火时容易析出碳化物。

材料在固溶处理后，经过不同温度的回火后，碳化物在一定温度范围内析出。

由于Cr23C6的晶界析出，在晶界处形成微电池，必然对材料的晶间腐蚀性能产生影响。

3.1回火温度对晶间腐蚀的影响

450℃回火再经晶间腐蚀实验后试件的显微组织见图3.2。

其组织形貌与固溶处理的类似，仍是呈现一定的阶梯组织特征。

晶界处腐蚀的痕迹仍十分不明显，只是比固溶处理略微清楚些，显示出的晶界基本全为孪晶界。

这说明450℃回火后合金元素扩散速度很慢，析出量很少，对组织的影响几乎可以忽略，原始晶界处保持有较强的耐腐蚀性能，可看作未发生晶间腐蚀现象。

图3.2450℃回火后腐蚀的不锈钢试件组织

680℃回火再经晶间腐蚀实验后试件的显微组织见图3.3。

680℃回火后的不锈钢试件与450℃的相比，晶间腐蚀现象十分明显，呈现出了沟状组织的特征。

腐蚀产物多且密集连续，说明此时晶界处遭受到了严重的腐蚀，材料的晶界耐腐蚀性能已大为下降。

这些现象表明了680℃时合金元素的晶界析出较为严重，可视为敏化温度，此时晶界处的Cr与C结合形成了大量Cr23C6使晶界附近的材料贫Cr而导致其电位下降，在腐蚀介质中形成较大的原电池反应。

图3.3680℃回火后腐蚀的不锈钢试件组织

800℃回火再经晶间腐蚀实验后试件的显微组织见图3.4。

800℃时的组织的腐蚀现象比450℃时严重，但比680℃时腐蚀程度弱。

腐蚀产物呈颗粒状断续排列，大体上勾勒出了原始晶粒的形状。

这说明800℃回火时C和Cr的扩散速度均较快，晶粒内部的Cr可以及时地补充晶界处材料所失去的Cr，并且晶界处的元素也可能向晶内扩散，因此在晶界附近没有形成严重的贫铬区。

此时在晶界与其附近的电位差较小，原电池反应也较小，这些因素降低了材料的晶间腐蚀。

图3.4800℃回火后腐蚀的不锈钢试件组织

3.2回火时间对晶间腐蚀的影响

680℃/0.5h回火再经晶间腐蚀实验后试件的显微组织见图3.5。

从图中看出，晶界处的腐蚀已十分严重，呈现出混合组织的形貌特征，可以看做发生了晶间腐蚀。

晶界处多数出现了连续状的腐蚀产物，少数为断续状的腐蚀产物特征。

这说明回火保温0.5h后材料的晶界处已析出了较多的Cr23C6，因此晶界处的耐腐蚀性出现了明显的下降。

图3.5680℃/0.5h回火腐蚀的不锈钢试件组织

680℃/2h回火再经晶间腐蚀实验后试件的显微组织见图3.6。

680℃保温2h后，与保温0.5h相比，晶界处的腐蚀现象更加严重，晶界处已基本上被连续的腐蚀产物所覆盖，组织形貌局部呈现出混合组织的特征另一部分则已呈现出了沟状组织的特征。

说明随着保温时间的延长，合金元素有充足的时间从晶界处析出，有更多的Cr23C6在晶界处形成。

晶界的耐腐蚀性进一步降低。

图3.6680℃回火2小时后腐蚀的不锈钢试件组织

680℃/8h回火再经晶间腐蚀实验后试件的显微组织见图3.7。

680℃保温8h后的组织特征与前两者相比，晶界腐蚀的痕迹较细，且腐蚀痕迹呈现出一种颗粒状连续的特征，说明其腐蚀现象没有前两者严重。

这种现象出现的原因是多方面的，首先随着保温时间的延长晶粒内部的Cr有了充足的时间扩散到晶界处，补充了晶界处析出的Cr，减弱了晶界处贫Cr的程度。

其次，保温时间的延长也促进了Cr23C6的进一步长大，使其由原来沿晶界的连续分布转变为不连续的大粒子。

这些因素综合地减弱了不锈钢晶界腐蚀的程度。

图3.7680℃回火8小时后腐蚀的不锈钢试件组织

第四章实验结论

1）1Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢固溶处理后的回火对其晶间腐蚀性能有较强影响。

2）该材料经1050℃固溶处理有较强的耐晶间腐蚀能力。

3）奥氏体不锈钢固溶处理后在不同温度回火，随回火温度提高，晶间腐蚀倾向增加，在680℃回火晶间腐蚀倾向最明显。

回火温度继续提高,晶间腐蚀倾向下降。

固溶处理后奥氏体不锈钢的晶间腐蚀敏化温度为680℃附近。

4）奥氏体不锈钢固溶处理后在680℃回火,随回火保温时间延长,晶间腐蚀倾向增加，2h回火晶间腐蚀倾向最明显，继续延长保温时间,晶间腐蚀倾向下降。

因此固溶处理后680℃/2h回火,为奥氏体不锈钢晶间腐蚀最敏化的回火工艺。

参考文献

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