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奥氏体不锈钢法兰晶间腐蚀产生原因及处理方法

作者:管件 来源: 日期:2018-8-20 0:04:23 人气:45

奥氏体不锈钢法兰由于晶间腐蚀的发生,导致结构发生早期失效,既影响钢材的正常使用寿命,又容易引发生产事故,给企业造成不必要的经济损失,增加了社会的人力物力支出成本。因此,探究奥氏体不锈钢法兰晶间腐蚀的产生机理,提出预防和修复措施,充分发挥奥氏体不锈钢法兰的优良性能,对建设资源、能源节约型,环境友好型和谐社会有重要意义。

1引言

随着现代工业的快速发展,不锈钢法兰在现代石油、化工、制药等行业中得到广泛应用,在国民经济中占有重要地位。但由于对不锈钢法兰材料的认识不足,引发生产事故的案例时有发生,本文将通过分析奥氏体不锈钢法兰产生晶间腐蚀的原因,研究避免或降低晶间腐蚀破坏可能性的方法,加深设计、施工人员对不锈钢法兰材料晶间腐蚀破坏的理解,为设计、施工人员在使用不锈钢法兰材料时提供帮助,并希望引发预防不锈钢法兰晶间腐蚀,提高其耐蚀性的进一步认识和思考。

2奥氏体不锈钢通常不锈钢指空气中能够抵抗腐蚀的钢。它有两种分类法:一种是按化学成分,分为铬不锈钢法兰和铬镍不锈钢法兰;另一种则按钢的组织结构,分为铁素体不锈钢法兰奥氏体不锈钢法兰、奥氏体-铁素体不锈钢法兰和马氏体不锈钢法兰。其中奥氏体不锈钢法兰应用最普遍,范围广且用量大。(1)什么是奥氏体不锈钢法兰?什么是奥氏体不锈钢法兰“晶”?纯铁在常温下的存在形式为α-Fe,α-Fe晶格为体心立方结构[1],单位晶胞原子数为2,致密度0.68,如图1。

纯铁在高温910℃以上时的晶体结构为γ-Fe,其晶格为面心立方结构[1],单位晶胞原子数为4,致密度0.74,如图2。

晶格以此为基本单位扩展,相邻晶格共用原子,以此扩展形成庞大的美丽的立体结构,此谓之“晶”。如果材料由一个晶格扩展而成,谓之单晶,如电子行业所说的单晶硅;如果材料由多个晶格各自共同发展而成,此谓之多晶体,如图3。奥氏体不锈钢法兰的晶间即指两个独立晶格相交的地方。

奥氏体不锈钢是铬、镍等合金元素在γ-Fe中形成的固溶体。固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格中而仍保持溶剂结构的合金相,是晶体一定结晶构造位置上原子的互相置换或溶于原有晶格中,不改变整个晶体的结构及对称性等。(2)问题是γ-Fe在高温下存在,α-Fe在常温下存在,那何以有常温下的奥氏体不锈钢法兰呢?这是因为,γ-Fe中加入的Ni、Mn等合金元素,扩大了γ-Fe的奥氏体相区,使以γ-Fe晶格特征为特征的奥氏体不锈钢法兰得以在常温下存在。不管是α-Fe还是γ-Fe,因晶格间都有一定的空隙,Cr、Ni、C等原子得以替换Fe在晶格上的位置或溶于晶格空隙中,成为一个整体,这便是钢的基本微观结构。钢材的实际成分很繁杂,根据需要可添加Ti、Ni、Mo、Cu、Mn、N等合金元素,合金元素加入钢中,与铁形成固溶体,或与碳形成碳化物,少量存在于夹杂物中或形成金属间化合物。奥氏体不锈钢法兰即为C、Cr、Ni等合金元素在γ-Fe中形成的固溶体。

3奥氏体不锈钢法兰的晶间腐蚀产生原因

常温下碳在奥氏体不锈钢法兰中的溶解度很小,约为0.02% ̄0.03%,而不锈钢法兰中的含碳量一般均超过此值,换言之,常温下的奥氏体不锈钢法兰是碳在γ-Fe中的过饱和体。碳析出是奥氏体不锈钢法兰产生晶间腐蚀的根本原因。奥氏体不锈钢法兰本身并没有晶间腐蚀现象,经过固溶处理的奥氏体不锈钢法兰(奥氏体不锈钢法兰一般在固溶状态下使用)金相组织为单一的奥氏体组织,但加工制造过程中,因焊接、热成型等热作工艺,过饱和的碳会析出。析出的碳不以单质形式存在,而是与铬化合,在晶间形成碳与铬的化合物,如(CrFe)23C6。该类高铬相析出,其他地方的铬必然减少。铬原子较碳大,扩散速度小,形成碳的铬化物时晶粒内部的铬来不及向晶界扩散,形成碳化铬所需的铬主要不是来自奥氏体晶粒内部,而是来自晶界附近,结果就使沿晶界附近一个狭长区域内含铬量大为减少,当其质量分数低到小于12%时,就形成所谓的“贫铬区”,在腐蚀介质作用下,就会产生晶间腐蚀。这一过程,称为敏化。敏化温度大约在300℃ ̄950℃。产生晶间腐蚀的不锈钢法兰,表面仍有金属光泽,看不出被破坏的迹象,但晶粒间的结合力显著减弱,力学性能大幅降低,当受到应力作用时,即会沿晶界断裂。因此,晶间腐蚀是奥氏体不锈钢法兰最危险的一种破坏形式。

4奥氏体不锈钢法兰晶间腐蚀的预防和处理措施

了解了奥氏体不锈钢法兰晶间腐蚀的形成机理后,就可以提出相应对策,常用的预防和处理措施有以下几种:(1)选用超低碳不锈钢法兰既然碳析出是根本原因,那首先想到的就是降低含碳量。碳含量越少,产生贫铬的程度及产生贫铬区的可能性就越小,超低碳不锈钢法兰的大量应用就是此原因,但碳含量越小,需要的技术水平就越高。(2)热作工艺后进行固溶处理固溶处理即将其加热到1100℃左右,保温一定时间后,随即急冷。在1100℃时碳化铬被融解,急冷以获得单一的奥氏体镍铬合金,不产生贫铬区。(3)稳定化处理对于含钛或铌的不锈钢法兰,将钢加热到850℃ ̄880℃,使钢中铬的碳化物溶解,而钛的碳化物不完全溶解,然后缓慢冷却,对于碳,稳定化元素比铬有更强的亲和力,会优先生成碳化铌、碳化钛等。不生成碳化铬,也就不会有贫铬区出现。(4)进行均匀化处理将奥氏体不锈钢法兰加热到850℃ ̄900℃,保温2h,使晶粒内的铬也扩散到晶粒边界,使晶粒处铬的质量分数重新恢复到12%以上,从而消除晶界贫铬区。(5)焊接中尽量减少线能量输入,以减轻焊接接头的敏化程度小线能量、小电流、大焊速,焊接过程中输入线能量少,既能有效的限制被加热宽度,又有利于被加热区急冷,在敏化温度区停留时间短,有利于防止晶间腐蚀。条件允许的情况下还可以采用水冷等强制措施。除了以上常用方法外,特殊情况下还可以选用比母材含铬量更高一级的焊接材料。以上方式都不是完美的,都有其使用的局限性,在特殊条件下仍有产生晶间腐蚀破坏的可能性,甚至由于处理不当,反而弄巧成拙,不仅焊缝组织结构未能得到改善,母材组织反而遭到破坏。对奥氏体不锈钢法兰这种最常见的晶间腐蚀破坏形式,目前只能采取相应对策,将腐蚀速率控制在从经济和技术角度权衡可以接受的范围。

5结论

不锈钢法兰在普通环境中耐腐蚀、美观等优良的使用性能,因此在工业生产中得到了广泛应用,但并不是用了不锈钢法兰就高枕无忧,不锈钢法兰也有自己的缺点,使用不锈钢法兰时应格外警惕其晶间腐蚀工作环境。