铁素体不锈钢焊接后的耐腐蚀性降低及其原因分析

铁素体不锈钢的耐腐蚀性可以因焊接而严重降低。铁素体不锈钢对多种形式的腐蚀破坏敏感，包括：晶间腐蚀（IGC）、缝隙腐蚀和点蚀，然而由于钢中不含镍，因而有耐应力腐蚀能力，这样就允许它代替奥氏体不锈钢在含氯的环境中使用。

正确选择钢的合金元素就可以避免缝隙腐蚀和点蚀，然而晶界腐蚀还对焊接过程和焊后热处理条件极为敏感。Demo^[2，38]和其他学者^[47，48]曾经对铁素体不锈钢中的晶间腐蚀IGC进行过详尽的综述。共同的观点认为：铁素体不锈钢中的晶间腐蚀IGC是由一个和奥氏体不锈钢中相似的敏化机理引起的。按照这个机理，在晶界析出富铬的碳化物和（或）氮化物而形成贫铬区，这个贫铬区对腐蚀敏感，其结果是钢的耐晶间腐蚀能力强烈地取决于间隙元素的含量，如图5-26所示。在第6章中将详细讨论晶间腐蚀（IGC）和晶间侵蚀（IGA）的机理。

在焊接时碳和氮完全溶解到焊缝金属中和加热到大约1000℃（1830℉）以上温度的HAZ金属中（这个温度随加热速度而变化），冷却时富铬的M₂₃C₆和Cr₂N可以在晶界或者晶内的位置析出，析出位置取决于冷速和间隙元素的含量。冷速高时优先在晶内析出，冷速低时优先在晶界析出。在中铬和高铬钢焊态微观组织中一般在晶界和晶内都观察到析出物。对于间隙元素（C+N）含量很高的钢（>1000×10^-6）即使快速淬火也抑制不了晶界析出，因而这些钢在焊态对于IGC的敏感性是无法避免的。对于含低到中等含量（200×10^-6～500×10^-6）间隙元素的钢，快速冷却对抑制晶界析出是有效的，所以有一个临界冷速范围，低于这个冷速范围冷却就会发生敏化。这个临界冷速范围和弧焊时典型的冷速范围经常是重叠的。含间隙元素极低的钢可以具有最强的耐晶间腐蚀能力，然而如图5-26所示，高铬钢为了保证焊态下的延性，其间隙元素的临界含量必须极低。表5-8示出了为保证耐晶间腐蚀能力和为保证焊态延性对间隙元素极限含量要求也随铬含量变化，而且这两种性能的要求和其随铬含量的变化是不同的。高铬钢对间隙元素含量要求极低，也说明它们焊接时对HTE和IGC固有的敏感性。

图5-26 间隙元素C+N和铬含量对焊态延性和耐晶间腐蚀能力（IGC）的影响（由焊态下的延性和耐晶间腐蚀能力（IGC）决定的间隙元素和铬含量的极限值）（引自Demo^[2]，由McGraw-Hill授权）

表5-8 为了保证焊后延性及抗晶间腐蚀能力，碳和氮极限含量随铬含量的变化

注：引Demo^[2]。

①在沸腾的硫化铁-50%硫酸溶液中试验。

②由2.5mm板在5.08mm砧子上弯曲试验测定。

焊后热处理可以有效地改进铁素体不锈钢抗IGC的能力。加热到700～950℃（1290～1740℉）温度区间通过铬元素的体积扩散可以有效地“治愈”晶界碳化物周围的贫铬区。这种处理早先已经显示出可以改善焊缝的延性和韧度。对高铬钢一般推荐在PWHT后进行快速冷却，以避免由于过度的晶界析出而可能导致脆化（图5-21），也可以用与解决HTE相同的方法，添加稳定化元素，如钛和铌^[2，48]，来改进铁素体不锈钢耐晶间腐蚀能力。这些元素可以形成稳定的MC类型碳化物，在高温停留也不溶解。这些元素需要加入的量随钢种不同而变化，在高铬钢中6（C+N）或者0.2+4（C+N）为其安全下限^[48]。图5-27示出了在26Cr-1Mo钢热处理试样中Ti/（C+N）比值对晶间腐蚀率的影响。当这个比值接近10时，在经受了相当于焊接过程的高温停留后，耐晶间腐蚀能力几乎没有受到影响。对409型不锈钢，为了耐晶间腐蚀推荐Ti+Nb≥0.08+8（C+N）以达到稳定化^[49]。(www.xing528.com)

图5-27 高温停留和Ti/（C+N）比例对26Cr-1Mo钢晶间腐蚀速率的影响

（引自Nichol和Davis^[48]，ASTM授权）

稳定化对于焊缝金属的作用不明显，这是因为由稳定化得到的碳化物和氮化物在焊接时可能被溶解，而在快速冷却时可能优先形成富铬的析出物而使焊缝金属敏化。

图5-28示出了430型不锈钢热影响区晶界腐蚀的一个例子，破坏发生在工作于海洋里的薄板材料中。外加应力、残留应力和氯离子的复合作用导致腐蚀破坏。通过高倍放大观察，可以看到在铁素体晶粒边界有马氏体（和图5-13相似），破坏途径是沿着铁素体-马氏体的界面。这就是由前面提及的敏化机制造成的，在界面上形成富铬碳化物导致界面附近区域铬元素的贫乏。

图5-28 430型不锈钢中的晶间腐蚀（IGC），图中显示破坏发生在HAZ，破坏路径是沿铁素体-马氏体边界，箭头指向熔合线

（引自Nichol和Davis^[48]，ASTM授权）

总之铁素体不锈钢焊缝的耐晶间腐蚀能力由诸多因素控制，包括铬含量、间隙元素含量和焊接冷却速度。对于在焊态应用的焊件，必须采用含间隙元素低的钢并采用焊后冷速最快的焊接方法和工艺条件。如有可能则大力推荐进行PWHT，因为PWHT对避免IGC和HTE都能起有益的作用。