铁素体不锈钢晶间腐蚀的机理和改善应用研究

胡海波　汤旭炎

摘 要：铁素体不锈钢在汽车行业使用很广泛，从电子零件到车身焊接，都要用到铁素体不锈钢，而且激光焊接是汽车系统对不同金属材料连接的一个重要方式，而不锈钢的成分对金属焊接造成的晶间腐蚀敏感性不同。不锈钢的晶间腐蚀对焊接强度的耐久性有直接影响，对焊接牢固的安全性即对汽车系统的安全性有直接影响。晶间腐蚀在不锈钢焊接工艺多少存在，本文对晶间腐蚀的发生原因和改善对策做了充分阐述。

关键词：晶间腐蚀 敏化作用 贫铬区 铬化物 草酸试验法

1 引言

汽车电子零件和钣金件，有用到很多铁素体不锈钢零件，而连接不锈钢的方式很多是采用激光焊接工艺，激光焊接后强度能满足测试要求，但是在长期的盐雾试验后，我们发现有很多发生了晶间腐蚀，造成焊接区域产生裂缝，甚至长期使用后，焊接部分发生脱离，造成汽车零件失效甚至造成汽车安全事故。因此分析晶间腐蚀的发生机理和如何避免晶间腐蚀的发生尤为关键，本论文就以上问题做出深刻分析和改善措施验证，并且以汽车零件实例进行阐述。

1.1 晶间腐蚀概述

晶间腐蚀指的是不锈钢在腐蚀介质的作用之下在晶粒之间所产生的一种腐蚀现象。

晶间腐蚀是一种局部腐蚀，这种腐蚀会沿着金属晶粒间的分界面向内部扩展，其会严重破坏晶粒间的结合力。导致这种腐蚀现象发生的原因是晶粒表面和内部之间的化学成分有着较大的差异，并且有晶界杂质或者是内应力存在。这种腐蚀会严重破坏晶粒间的结合，让金属的机械强度受到巨大的影响。需要注意的是这种腐蚀在金属和合金的表面看不出有破坏的迹象，然而其内部晶粒之间的结合力已经被破坏，并且力学性能也出现了恶化，很难有效分辨，所以非常危险。只有采用金相显微镜进行观察，才能够发现晶界呈网状形态，晶界区因腐蚀已遭破坏，晶粒也接近分离。晶间腐蚀多出现于黄铜、硬铝合金以及一些不锈钢、镍铬基合金中。而在化学工业中，不锈钢焊缝的晶间腐蚀是一个重大的问题。

1.2 晶间腐蚀发生的机理

在弱氧化性或氧化性介质腐蚀作用下，在晶体内部只是呈现出微弱腐蚀，在工件的表面也难以发现明显的损坏，然而因为晶粒表面与内部化学成分存在有差异，以及晶界内部存在有杂质以及内应力，最终导致晶间腐蚀出现，并使得晶界被迅速的溶解，并不断深入，完全破坏了晶粒之间的联系。产生晶间腐蚀原因，主要是奥氏体晶界处产生“贫铬”现象所致，焊接时工件被加热，奥氏体不锈钢在450～850℃敏化温度停留受热后，原来固溶在晶粒内的碳向晶界扩散，并在晶界上生成碳化铬（一般为Cr23C6），消耗了铬元素的含量，致使晶界产生“贫铬”现象，当晶界上铬的含量下降到12%以下时，就失去了防腐作用，在腐蚀介质作用下晶界会被迅速腐蚀，即“晶间腐蚀”。

不锈钢在产生晶间腐蚀之后，如果受到了外力，就会沿着晶界断裂，这是不锈钢中的一种最为危险的破坏形式。晶间腐蚀可以分别产生在焊接接頭的热影响区（HAZ）、焊缝或熔合线上，在熔合线上产生的晶间腐蚀又称刀线腐蚀（KLA），见图1。

1.3 晶间腐蚀发生的原因

发生晶间腐蚀需要满足以下的电化学条件：（1）晶粒和晶界区的组织要不同，这就会使得电化学性质存在明显的差异，晶界为阳极，晶粒为阴极，形成电位差，这是晶间腐蚀发生的内因。（2）晶粒和晶界的差异要在适当的腐蚀介质环境下才能显露出来，这是晶间腐蚀发生的外因。

（1）不锈钢的晶间腐蚀常常是在受到不正确的热处理以后发生的，使不锈钢产生晶间腐蚀倾向的热处理叫做敏化热处理。奥氏体不锈钢的敏化热处理范围为450°c—850°c（650～750℃范围内晶间腐蚀最为敏感）。当奥氏体不锈钢在该温度范围较长时间加热（如焊接）或缓慢冷却，就产生了晶间腐蚀敏感性。铁素体不锈钢的敏化温度在900°c以上，而在700-800°c退火可以消除晶间腐蚀倾向。

（2）不锈钢中的含碳量越高，碳向晶界扩散的倾向越大，形成碳化铬的可能性就增加，于是造成贫铬的趋势就增加，那么晶间腐蚀就越容易发生。

1.4 敏化作用

对于含碳量超过了0.03%的不稳定的奥氏体型不锈钢，必须要对热处理进行高度重视，如果热处理不当，就很容易导致晶间腐蚀出现。这些钢在处于450-850℃的温度下加热时，或者是缓慢冷却的过程之中通过了这个温度区间，那么就会出现晶间偏析的现象，这样的热处理就会导致碳化物在晶界沉淀（敏化作用），并且还会导致最邻近的区域出现铬贫化，进而使得这些区域会对腐蚀敏感。敏化作用也可出现于焊接时，在焊接热影响区造成局部晶间腐蚀腐蚀。

2 防止和改善晶间腐蚀

防止晶界腐蚀的措施有：

（1）调整材料的化学成份，加入稳定化元素减少形成碳化铬的可能性，如加入钛Ti或铌NB等元素。因为Ti和Nb可以改变析出碳化物类型，这些元素和碳的结合力比铬大很多，容易和碳形成TiC和NbC稳定的碳化物，使得铬不容易和碳形成Cr23C6，这样保护了铬元素，避免了贫铬现象发生，从而有效防止了晶间腐蚀的发生。而且Tic和NbC化合物能在1050℃以下都不溶于奥氏体，从而避免了在敏化温度下的不锈钢腐蚀。

（2）减少材料中的含碳量，可以减少和避免形成铬的碳化物，从而降低形成晶界腐蚀的倾向，含碳量在0.03%以下，称为“超低碳”不锈钢，就可以减少铬的碳化物生成。

（3）工艺方面，控制在危险温度区的停留时间，防止过热，要快焊快冷，使碳来不及析出去形成铬的碳化物。

（4）提高不锈钢抗晶间腐蚀性能的冶金方法。

①固溶处理：将奥氏体不锈钢的焊接接头重新加热至1050～1100℃，此时碳又重新溶入奥氏体中，然后急速冷却，便可得到稳定的奥氏体组织，消除贫铬区。这种方法叫固溶处理。固溶处理的缺点是，如果焊接接头需要在危险的温度区工作，则仍不可避免地会形成贫铬区。

②控制热处理温度在900°以下，在700～800℃退火出来，就能避开敏化影响，改善晶间腐蚀发生。

③去应力处理：消除钢在冷加工或焊接后的残留应力，对于含Ti或Nb的不锈钢加热到300～350℃回火，对于不含Ti，Nb的不锈钢，回火温度小于450℃，可以减轻晶间腐蚀的发生。

3 不锈钢晶间腐蚀的评定方法

主要有化学浸蚀法和电化学方法。化学浸蚀法耗时长，且有破坏性，但是应用较成熟，国内外都有对应的参照标准。电化学法快速，无损，用于现场检验。

常用的铁素体不锈钢的晶间腐蚀评定标准有国标GB/T 4334，对标的是美标ASTM A763，都是化学浸蚀法。里面有几种化学药剂的腐蚀方法。

本论文所讨论的检测评价方法均参照ASTM A763-2015的方法Z（铜-硫酸铜-16%硫酸铜），所有测试报告出自容大材料腐蚀检验机构。

4 以不同材料的分析来说明元素对晶间腐蚀的影响

作者以汽车用的不锈钢（430铁素体不锈钢）为例，在激光焊接后，分析不同厂家不同化学元素比例的材料，在晶间腐蚀上的不同表现。焊接采用激光连续焊，采用快焊快速冷却方式。图2为激光焊接的图片。下面的金相图片均为100倍显微镜下观察到焊缝处的晶间腐蚀情况。

（1）邢钢不锈钢材料：0Cr17（晶间腐蚀情况见图3）。

含C：0.026%，Cr：16.32%，Ni：0.07%，P：0.023%， Si：0.38%，S：0.002%，不含Ti和Nb.虽然此材料含碳量低，但是不含Ti和Nb，因此在试验后，右上角能发现很多晶粒一周的晶界已经腐蚀，有比较明显的晶间腐蚀发生，导致焊接件在晶间腐蚀试验中断裂开。

（2）青山不锈钢材料：00Cr17（晶间腐蚀情况见图4）。

含C：0.018%，Cr：16.6%，Ni：0.2%，P：0.028%，Si：0.33%，S：0.002%，含微量非添加Nb.约0.02%虽然此材料含碳量低，含微量Nb，但在试验后，右上角能发现很多晶粒一周的晶界已经腐蚀，有比较明显的晶间腐蚀发生，但是试验后焊接的材料未断裂开。

（3）意大利华宝不锈钢材料：SUS430F （晶间腐蚀情况见图5）

含C：0.043%，Cr：16.3%，Ni：0.24%，P：0.022%，Si：0.42%，S：0.27%，含微量非添加Nb.约0.03%虽然此材料含碳量稍微高了些，虽含微量Nb，但在试验后，焊接处能发现很多晶粒一周的晶界已经腐蚀，裂缝在晶界中延伸比较长，有明显的晶间腐蚀发生。

（4）为了解决晶间腐蚀的发生，我们选用了台湾华新的添加Nb的不锈钢材料来做对比试验，并且用含碳量低的材料。

臺湾华新不锈钢材料：430LNb（晶间腐蚀情况见图6）。

含C：0.013%，Cr：16.74%，Ni：0.26%，P：0.022%，Si：0.39%，S：0.001%，NB：0.35%此材料含碳量低，含Nb，因此在化学反应上能阻止碳化铬的形成，避免了贫铬现象，有效防止晶间腐蚀发生。在试验后，焊接处的晶粒结合紧密，晶界无腐蚀发现，无晶间腐蚀发生。

5 结语

铁素体不锈钢广泛用于船舶，汽车，石油化工，压力容器，航天航海等各重点工业。但因金属腐蚀造成的钢铁设备报废占了设备产量的25%，特别是晶间腐蚀的发生，是在金属内部发生，造成的潜在危害尤其要重视。通过本文，我们阐述了晶间腐蚀发生的机理和原因，也阐述了如果避免和改善晶间腐蚀金属的发生。并通过作者的实际工作试验去验证了添加Nb降低碳含量，能有效避免铁素体不锈钢晶间腐蚀的发生。并且能选用更合适的材料配比，辅助热处理条件的控制，使得该金属材料能长期安全地使用在汽车恶劣的工况环境下，真正为汽车零件的三包服务做出贡献。

参考文献：

[1]王建.《晶间腐蚀的危害及原因分析》.陕西省质量监督局特种设备质量安全监督中心.陕西.西安，2015.

[2]查小琴，张利娟.《不锈钢晶间腐蚀测试方法》.中国船舶重工集团公司第725研究所.河南.洛阳 2009.