奥氏体不锈钢焊接接头的腐蚀问题

      奥氏体钢的焊接结构常常因腐蚀而损坏甚至报废，而且腐蚀多半发生在焊缝或热影响区，最常见的腐蚀类型有晶间腐蚀、应力腐蚀和孔蚀。
      (1)焊接接头的晶间腐蚀
      奥氏体不锈钢在供货状态(1050～1100℃固熔处理)都具有良好的耐晶间腐蚀性能。而某些奥氏体不锈钢的焊接结构，在腐蚀介质中使用之后，可发现在焊缝附近有沿晶界的腐蚀，如图1所示，这种腐蚀可能分别在焊缝上(a区)、沿熔合线1250℃以上的过热区(b区)和距熔线一定距离的热影响区(峰值温度650℃附近的c区)发生。

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图1 奥氏体不锈锕焊缝及热影响区

      晶间腐蚀主要与铬的碳化物Cr23C6等析出有关。焊缝金属的晶间腐蚀常常是因为焊接材料的碳含量偏高或者焊接时发生了增碳现象，同时焊后还受到碳化物析出敏感的所谓敏化温度(450-850℃)的作用以及如十字接头、丁字接头及多道焊中后焊焊道对先焊焊道的热影响，都可能使受到敏化的焊缝具有晶间腐蚀倾向。所以不锈钢焊接结构除了选用优质焊材之外，焊缝设计要从防止晶间腐蚀的角度出发避免十字形、丁字形的焊缝，接触腐蚀介质的焊道后焊等。在焊后需要经过热处理的结构，例如压力容器内壁堆焊层，及复合钢板焊件固受消除应力热处理的敏化作用，也可能发生晶间腐蚀，因此应选用超低碳或含稳定元素的焊材。
      一般奥氏体钢配套的焊材，为了防止焊缝的晶间腐蚀，通常尽可能地降低碳含量，增加铌，钛等与碳亲和力更强的元素以防止铬的碳化物析出，显著提高焊缝晶间腐蚀的性能。
奥氏体不锈钢焊缝中的少量铁素体不仅对防止和消除热裂纹有利，同时对提高耐晶间腐蚀的作用也是有好处的，铁素体存在于奥氏体晶粒之间，削弱奥氏体柱状晶，树状晶的方向性，隔断奥氏体晶界链接网状碳化物析出，从而防止晶间腐蚀。因此，除Cr以外，焊缝中添加铁素体形成元素Mo,Nb,Ta,Ti等也有利于提高焊缝的耐蚀性。
      焊接接头上c区发生的晶间腐蚀现象称作焊接热影响区腐蚀（weld decay），是焊接时热影响区峰值温度达到450～850℃的敏化温度，因此出铬的碳化物Cr23C3而在腐蚀环境中使用后产生的晶间腐蚀（见图2）。这种腐蚀大多数是发生在C含量≥0.08%的18-8（302钢）型钢的焊接接头上。碳含量≤0.08%时（如304），只进过一次循环的焊接接头热影响区则不常见，但进过多层，多道焊则有可能发生，碳化物的析出特别是在敏化温度范围缓慢冷却，则危险性较大。当然这些钢种用在腐蚀性不大的环境如高低温容器，建筑结构，建筑装饰，车辆，农机，家电，厨具等，仍可广泛使用。

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图2 1Cr18Ni9不锈钢热影响区晶间腐蚀

      钢中添加Ti或Nb的稳定化不锈钢1Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni9Ti,0Cr18Ni11Ti,0Cr18Ni11Nb,0Cr18Ni12Mo2Ti等钢种，由于出厂前进过920-1150℃的固溶处理的，钢中碳大部分以TiC,NbC形式存在，焊接头c区即焊接时受到450～850℃敏化温度影响的部分不再发生Cr的碳化物析出，因此避免了这种热影响去晶间腐蚀。
      稳定化的奥氏体不锈钢虽然避免了热影响区的晶间腐蚀。但是在紧靠熔合线的过热区（图1中的b区），如果在焊接过程或焊接后经过敏化温度的作用，当焊接结构用于强氧化性（如硝酸）介质时，熔合线附近的母材过热区就会产生晶间腐蚀，因腐蚀范围窄而深，如刀切一样，故这一种腐蚀类型称作刀线（或刀状）腐蚀（见图3）。Ti,Nb稳定化的钢种在固定熔状态钢中的自由碳原子与Ti或Nb形成的TiC,NbC，防止形成Cr23C3等碳化物，因而在敏化温度不再会引起Cr₂₃C₆。但是当焊接时紧邻熔合线的母材中的TiC,NbC在1250℃以上的热循环中发生分解，C,Ti,Nb都重新溶解入奥氏体基体，在随后又遭受敏化温度的作用（如焊后热处理或多层多道焊）。此时由于温度低，基体中的过饱和的碳只能与Cr结合并在晶粒边界析出，而不能形成TiC,Nb的不锈钢，如焊后经870～900℃的稳定化处理，使过热区铬扩散，消除晶界贫铬以及形成NbC,TiC等碳化物，可以有效的防止刀线腐蚀。

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图3 0Cr18Ni9Ti不锈钢焊接接头刀线腐蚀

      焊接接头前述三个区域的晶间腐蚀，主要的因素是碳含量，降低碳便可减轻和消除晶间腐蚀。当碳降至奥氏体中溶解限（≤0.03%）一下，成为超低碳的00Cr19Ni9,00Cr18Ni12Mo2,00Cr19Ni14Mo3等不锈钢，及其焊材00Cr20Ni10,00Cr19Ni12Mo2,00Cr19Ni14Mo3等均有优异的抗晶间腐蚀的性能。

      (2)焊接接头的应力腐蚀开裂
      不锈钢的应力腐蚀是在静拉伸应力作用下和在氯化物，氢化物，硫化物和连多硫酸等特定介质中产生的，奥氏体不锈钢的焊接接头在焊后未热处理的情况下，接头处存在很大的参与应力，有事可达到屈服限。因此常在某些介质中发生应力腐蚀破裂，图4是00Cr18Ni9Ti钢管焊接接头应力腐蚀开裂。应力腐蚀在奥氏体不锈钢焊接结构中的最常见的，腐蚀速度极快，常使设备短期服役后即破坏报废。常用18-8，18-12-2型奥氏体不锈钢，在应力腐蚀环境下均对应力腐蚀敏感。虽然18-8型不锈钢对应力腐蚀敏感，但在一些条件下，例如在不含CL-而仅存在连续多硫酸的介质中，选择添加Ti,Nb的18-8型不锈钢焊材并进过稳定化处理亦可防止应力腐蚀。

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图4  0Cr18Ni9Ti接头应力腐蚀开裂

      奥氏体不锈钢的焊接结构，接头区域比结构其余部分来说应力腐蚀的敏感性更大，其原因已如前面所说是与焊后存在残余应力有关，所以对有可能发生应力腐蚀的环境使用的设备，应进行焊后消除应力处理，例如不锈钢焊管、管线焊后都需进行940℃稳定化处理或1050℃的固溶处理。在奥氏体不锈钢中，随着镍含量的增加，可提高其在许多介质的耐应力腐蚀中的穿晶型应力腐蚀。钼在奥氏体钢中虽对防止应力腐蚀无直接作用，但它可以提高耐孔蚀性能，而孔蚀常常又是应力腐蚀的起源。因此，由于含铝钢提高了耐CL-引起的孔蚀从而也改善了耐氯化物应力腐蚀性能。所以高镍、高钼的00Cr18Ni18Mo5Cu、00Cr20Ni25Mo4.5Cu、00Cr20Ni18Mo6Cu等奥氏体不锈钢的焊接接头耐应力腐蚀总是比一般奥氏体钢的要好。
      顺便指出，常用的18-8型18-12-2型奥氏体不锈钢的焊缝中通常都台有4％～12％的铁素体，与铁素体-奥氏体双相钢一样，含有铁素体的奥氏体钢焊缝的耐应力腐蚀的性能优于同成分但无铁素体的奥氏体焊缝金属。
      (3)焊接接头孔蚀
      在Cl^-(及Br^-、I^-)离子的介质中，不锈钢表面常发生孔(点)蚀。孔蚀是因金届表面非金属夹杂物、析出相、晶界露头等处钝化膜较脆弱，在特定的介质作用下产生。焊缝晶粒粗大、疏松且因焊接时焊剂、药皮参予冶金反应，焊缝中常常存在Al₂O₃、MnS、SiO₂：、TiN、TiO₂等杂质和夹杂物。因此在同样条件下焊缝比母材的孔蚀敏感性大。同时由于焊接时的飞溅、表面氧化色等使HAZ部分的母材的钝化膜遭到破坏和钝化膜的修复能力较差，在Cl-离子溶液中引起孔蚀。因此防止焊接接头的孔蚀，首先应尽可能提高焊缝金属的纯洁度，减少焊缝的杂质以及焊后要仔细清理焊缝及其附近母材的表面和进行表面钝化处理。由于Cr、Mo、N等元素对提高耐孔蚀性非常有效，为了提高不锈钢焊接接头的钝化和再钝化能力，要选用高Cr、Mo的奥氏体铜及其配套焊材。同时尽可能选用能保持焊缝纯洁度的GTAW、GMAW、PAW等气体保护焊工艺。