海洋環(huán)境下奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕分析

魯宇陽(yáng)，吳濤

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海洋環(huán)境下奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕分析

魯宇陽(yáng)1，吳濤2

（1.華中科技大學(xué)附屬中學(xué)，湖北 武漢 430074；2.華中光電技術(shù)研究所，湖北 武漢 430074）

奧氏體不銹鋼由于具有良好的耐蝕性和焊接性而被廣泛運(yùn)用。針對(duì)在海洋環(huán)境應(yīng)用中奧氏體不銹鋼焊接件發(fā)生嚴(yán)重銹蝕而影響使用的問(wèn)題，結(jié)合某奧氏體不銹鋼焊接件銹蝕情況和相關(guān)試驗(yàn)，分析了在海洋環(huán)境中奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕原因，并從材料優(yōu)化、熱處理、酸洗鈍化、焊接工藝、焊接結(jié)構(gòu)幾個(gè)方面提出了提高耐蝕性的方法。

奧氏體不銹鋼；晶間腐蝕；刀狀腐蝕；縫隙腐蝕

工程材料的性能主要包括使用性能和工藝性能，使用性能是指材料的力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能；工藝性能是指加工過(guò)程所反映出來(lái)的性能。在產(chǎn)品研制過(guò)程中，根據(jù)使用性能選材是特別重要的，任何材料都是在一定的環(huán)境條件下使用的，環(huán)境作用的結(jié)果可能引起材料的使用性能下降。不銹鋼所謂的“不銹”是相對(duì)的，不銹鋼是指一系列在空氣、水、鹽等水溶液、酸以及其他腐蝕介質(zhì)中具有高度化學(xué)穩(wěn)定性的鋼種。奧氏體不銹鋼由于具有良好的耐蝕性能和焊接性能而得到非常廣泛的應(yīng)用。針對(duì)在海洋環(huán)境下奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕，分析了薄壁奧氏體不銹鋼焊接成型水箱的腐蝕原因，提出了幾種提高耐蝕性的方法。

1 奧氏體不銹鋼焊接件的銹蝕問(wèn)題

奧氏體（17%～25%）Cr/（8%～25%）Ni不銹鋼，由于具有良好的耐蝕性能和焊接性能，而得到非常廣泛的應(yīng)用。但是在應(yīng)用中發(fā)現(xiàn)，對(duì)奧氏體不銹鋼來(lái)說(shuō)，比如06Cr19Ni10，焊后未經(jīng)任何處理的焊件，在鹽霧空氣中很快就會(huì)發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，影響其應(yīng)用[1]。某產(chǎn)品水箱的結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。該水箱底板是3 mm厚的06Cr19Ni10鋼板，上殼體板是1.5 mm厚的06Cr19Ni10鋼板，整體采用鈑金氬弧焊拼焊而成，焊后內(nèi)壁涂環(huán)氧樹(shù)脂膠。

圖1 水箱殼體

經(jīng)過(guò)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)品中有多個(gè)水箱發(fā)生銹蝕，并污染了水箱內(nèi)的循環(huán)水，水體呈棕黃色。而未使用的暴露在空氣中的水箱（未涂環(huán)氧樹(shù)脂膠前），發(fā)現(xiàn)全部發(fā)生嚴(yán)重銹蝕，銹蝕區(qū)主要發(fā)生在焊縫周?chē)械匿P蝕區(qū)為距焊縫15 mm的范圍，銹蝕情況如圖2所示。

圖2 銹蝕情況

2 奧氏體不銹鋼焊接件銹蝕原因分析

海洋環(huán)境下奧氏體不銹鋼焊接件銹蝕原因有內(nèi)因和外因兩個(gè)。內(nèi)因就是材料因素，包括材料的合金元素、各合金元素綜合作用、焊接結(jié)構(gòu)熱處理后的組織（金相）、夾雜、產(chǎn)品的材料內(nèi)應(yīng)力等。

外因是環(huán)境因素，包括腐蝕介質(zhì)（pH值濃度、溫度、雜質(zhì)、生物、流速、壓力等）、鄰近機(jī)構(gòu)的布置與材料的電極電位、防腐保護(hù)措施和產(chǎn)品的維護(hù)保養(yǎng)等。

2.1 晶間腐蝕

06Cr19Ni10是一種典型的奧氏體不銹鋼。奧氏體不銹鋼出廠(chǎng)時(shí)需經(jīng)過(guò)固溶處理，即把鋼加熱到1 050～1 150 ℃后進(jìn)行淬火處理以得到均相固溶體。

由于碳在奧氏體中的固溶度隨著溫度的下降而減小，因此經(jīng)過(guò)固溶處理的鋼，碳是過(guò)飽和的。當(dāng)鋼在焊接時(shí)，由于熱影響區(qū)經(jīng)過(guò)400～850 ℃加熱，沒(méi)有快速冷卻而在該溫度區(qū)間停留，就會(huì)在晶界析出鉻的碳化物，使晶界附近鉻含量下降。當(dāng)鉻的固溶度低于12%時(shí)，形成貧鉻區(qū)，鋼將失去原有的耐腐蝕性而被腐蝕。

通過(guò)觀(guān)察發(fā)現(xiàn)，水箱的銹蝕區(qū)正好處于熱影響區(qū)，而遠(yuǎn)離焊縫的區(qū)域未發(fā)現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。

2.2 刀狀腐蝕

鈦與碳的親和力比鉻與碳的親和力強(qiáng)，鈦能與碳形成穩(wěn)定的鈦碳化合物，而且這種鈦碳化合物比鉻碳化合物的固溶度小得多，因此加入Ti的奧氏體不銹鋼06Cr19Ni10在經(jīng)過(guò)敏化溫度區(qū)時(shí)，鉻碳化合物不至于大量在晶界析出，能很大程度上消除晶間腐蝕傾向。但是，鈦的加入量必須達(dá)到碳含量的5～10倍，而且還需進(jìn)行穩(wěn)定化處理。

焊接過(guò)程中，受焊接熱影響區(qū)過(guò)熱區(qū)的高溫影響，鈦的碳化物會(huì)向奧氏體組織中溶解。在高溫下，碳的擴(kuò)散速度比鈦大得多，所以溶解的碳可以迅速向晶界處遷移。冷卻后，奧氏體中溶解較多的鈦，晶界有較多的碳，因此形成晶間腐蝕。此外，在多道焊或焊縫閉合區(qū)，在焊縫處發(fā)生循環(huán)加熱，也會(huì)發(fā)生碳的遷移，在晶界處形成鉻的碳化物，而使晶界貧鉻，容易形成晶間腐蝕，因此刀狀腐蝕也是一種晶間腐蝕。

2.3 縫隙腐蝕

奧氏體不銹鋼在含鹵素離子介質(zhì)（比如海水）中抗點(diǎn)蝕的性能較差，常溫海水是不銹鋼局部腐蝕的敏感介質(zhì)，很容易引發(fā)焊接部位的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕。點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕的引發(fā)機(jī)制有共同之處，二者的發(fā)生和發(fā)展關(guān)系密切。縫隙容易產(chǎn)生表面沉積物和腐蝕產(chǎn)物堆積、海洋生物附著、海水殘留等，加劇縫隙腐蝕，焊接結(jié)構(gòu)為產(chǎn)生縫隙腐蝕提供了極為有利的條件。

3 提高耐蝕性的方法

3.1 材料優(yōu)化

在材料中加入適量的Mo元素，可以形成穩(wěn)定性更高、更致密的氧化膜，這種氧化膜能防止鹵族元素離子對(duì)不銹鋼表面鈍化膜的破壞。降低鋼的含碳量，一般含碳量應(yīng)小于0.03%；加入強(qiáng)碳化物形成元素Ti、Nb等，使鋼優(yōu)先形成穩(wěn)定的TiC、NbC，而不形成鉻的碳化物，以保證奧氏體不銹鋼的含鉻量[2]。

3.2 熱處理

06Cr19Ni10水箱焊接結(jié)構(gòu)發(fā)生生銹，主要是由于焊接熱使碳發(fā)生遷移，在晶界附近產(chǎn)生鉻的碳化物，而使晶界附近貧鉻，從而發(fā)生晶間腐蝕。因此可以采用固溶處理的方法，也就是將焊件在爐內(nèi)加熱到1 050 ℃，保溫30 min，然后水冷。固溶處理可以使鉻的碳化物發(fā)生分解并重新融入奧氏體中，消除貧鉻現(xiàn)象，也就提高了抗晶間腐蝕能力。

此外，也可以在焊后采用穩(wěn)定化處理的方法，也就是把焊件加熱到850～880 ℃，保溫6 h，空冷或隨爐冷。穩(wěn)定化處理可以使鉻碳化合物完全溶解，而鈦碳化合物析出，從而使奧氏體里有足夠的鉻，進(jìn)而提高了其耐蝕的能力。

3.3 酸洗鈍化

為提高奧氏體不銹鋼焊接件抗腐蝕性能，需要保證焊后的表面處理水平。要去除焊瘤、飛濺物、銹等，也要打磨掉高溫氧化物。對(duì)于像水箱這種封閉殼體，可以使用酸洗的方法清除污物。酸洗后再用質(zhì)量濃度為5%～20%的硝酸溶液進(jìn)行鈍化處理，使其表面形成一層氧化膜。

3.4 焊接工藝

在焊接方面上，宜采用小電流、快速焊，以減小熱影響區(qū)范圍。對(duì)于水箱這樣的薄壁焊接件，可采用直流反接法，減少溶池產(chǎn)生過(guò)熱現(xiàn)象和燒穿現(xiàn)象[3]。焊縫坡口必須采用嚴(yán)格的除水、油和雜物措施，焊縫表面不允許存在裂紋、氣孔、未填滿(mǎn)或未熔合的缺陷。

3.5 盡量少采用焊接結(jié)構(gòu)

受焊熱的影響，發(fā)生冶金反應(yīng)而改變?cè)瓓W氏體組織成分是不可避免的，再加上焊縫背面的焊瘤、雜質(zhì)和氧化物不宜清理，增加了發(fā)生腐蝕隱患的概率。因此為避免發(fā)生腐蝕，在條件允許下（比如質(zhì)量、空間和加工費(fèi)用），盡量少用焊接結(jié)構(gòu)或不用焊接的結(jié)構(gòu)[4-5]。

腔體可采用銑削加工方式，然后與底板用O形圈連接，形成水密水箱腔體。此種方法可能導(dǎo)致質(zhì)量和加工量的增加，但對(duì)于異型需要大量拼焊的結(jié)構(gòu)有其優(yōu)勢(shì)。對(duì)于大批量生產(chǎn)，腔體可采用沖壓成型的方式，這樣可降低單件成本。

4 實(shí)驗(yàn)及結(jié)果

試驗(yàn)中取用了三個(gè)相同結(jié)構(gòu)和焊接工藝的06Cr19Ni10水箱，一個(gè)水箱不做任何處理置于空氣之中，另兩個(gè)水箱，一個(gè)水箱進(jìn)行了固溶處理，一個(gè)水箱進(jìn)行了固溶處理和酸洗鈍化，兩個(gè)都浸入高濃度鹽水20 d。

20 d后發(fā)現(xiàn)，置于空氣中的水箱在距焊縫15 mm范圍內(nèi)發(fā)生大面積銹蝕，而遠(yuǎn)離焊縫的基體沒(méi)有發(fā)生銹蝕。置于高濃度鹽水中、經(jīng)固溶處理的水箱發(fā)現(xiàn)銹斑，分布不規(guī)則，有的銹斑在焊縫周?chē)械陌l(fā)生在遠(yuǎn)離焊縫的基體上。置于高濃度鹽水中、經(jīng)固溶處理和酸洗鈍化的水箱也發(fā)現(xiàn)少量銹斑，銹斑數(shù)量比進(jìn)行固溶處理后的少，分布不規(guī)則。可見(jiàn)，固溶處理和表面酸洗鈍化可以提高奧氏體不銹鋼焊縫周?chē)哪臀g能力。

5 結(jié)論

海洋環(huán)境下奧氏體不銹鋼焊接件的腐蝕原因主要是焊接熱使碳發(fā)生遷移，在晶界附近產(chǎn)生鉻的碳化物，從而使晶界附近貧鉻，產(chǎn)生晶間腐蝕；常溫海水是不銹鋼局部腐蝕的敏感介質(zhì)，很容易引發(fā)材料的點(diǎn)蝕和縫隙腐蝕。

奧氏體不銹鋼焊接件，可以通過(guò)固溶處理或穩(wěn)定化處理，經(jīng)過(guò)酸洗鈍化，提高其耐蝕性。而對(duì)于新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，在條件允許下，可以采用銑削結(jié)構(gòu)，并采用O形圈連接成密封箱體，而大批量生產(chǎn)時(shí)，可以用沖壓成型的腔體。對(duì)耐蝕性要求較高的焊接結(jié)構(gòu)件，可采用更好的耐蝕材料，比如00Cr17Ni14Mo2等。

［1］于啟湛，丁成鋼，史春元.不銹鋼的焊接［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［2］趙麥群，雷阿麗.金屬的腐蝕與防護(hù)［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2002.

［3］李淑華，王申.焊接技師技術(shù)問(wèn)答［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005.

［4］韓順昌.金屬腐蝕纖維組織圖譜［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2008.

［5］劉政軍，徐德昆.不銹鋼焊接及質(zhì)量控制［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008.

2095－6835（2019）01－0086－02

TG142.72

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.01.086

魯宇陽(yáng)（2001—），女，湖北武漢人，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)的探究性學(xué)習(xí)研究。

吳濤（1978—），男，湖北武漢人，高級(jí)工程師，主要從事船舶機(jī)械設(shè)計(jì)方面的研究。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕