摘 要:汽車底盤用排氣管、冷卻水管等不銹鋼鋼管焊縫附近發(fā)生開裂現(xiàn)象,采用宏觀觀察、化 學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)等方法對(duì)其開裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:相比06Cr19Ni10不銹鋼, 1Cr14Mn10Ni1不銹鋼的鋼管焊縫附近更容易析出Cr23C6 碳化物,并出現(xiàn)局部貧Cr,貧Cr區(qū)域沿 著晶界發(fā)生腐蝕開裂。 

關(guān)鍵詞:不銹鋼鋼管;焊縫;局部貧Cr;開裂 

中圖分類號(hào):TB31;TG115.2                       文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B                          文章編號(hào):1001-4012(2023)08-0032-05

1 理化檢驗(yàn) 

1.1 宏觀觀察 

汽車底盤用排氣管、冷卻水不銹鋼鋼管等在出 廠運(yùn)行1~2a后,焊縫附近部位經(jīng)常發(fā)生開裂現(xiàn) 象,開裂部位距離焊縫邊緣3~10mm。不銹鋼鋼 管焊縫附近開裂部位宏觀形貌如圖1所示,由圖1 可知:排氣管斷口處無塑性變形,斷口粗糙,未見疲 勞源和疲勞擴(kuò)展痕跡。開裂的不銹鋼鋼管材料為 1Cr14Mn10Ni1鋼。

1.2 化學(xué)成分分析 

對(duì)開裂的排氣管和冷卻水管進(jìn)行化學(xué)成分分 析,結(jié)果如表1所示,由表1可知:開裂不銹鋼鋼管 的化學(xué)成分均符合技術(shù)要求。

1.3 金相檢驗(yàn) 

分別在開裂的排氣管和冷卻水管焊縫裂紋附近 取樣,用王水腐蝕試樣后,將其置于光學(xué)顯微鏡下觀 察,結(jié)果如圖2所示。由圖2可知:裂紋附近均出現(xiàn) 了明顯的沿著晶界的黑色腐蝕產(chǎn)物和開裂現(xiàn)象。

1.4 腐蝕試驗(yàn)驗(yàn)證 

從1Cr14Mn10Ni1和06Cr19Ni10兩種不銹鋼 材料焊接的鋼管焊縫附近取樣,兩種材料規(guī)格分別 為75 mm×1.5 mm(外 徑 × 壁 厚)、89 mm× 1.5mm(外徑×壁厚),用王水腐蝕后,將其置于光 學(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)果如圖3所示。由圖3可知:焊 縫附近均未發(fā)現(xiàn)沿著晶界的黑色腐蝕產(chǎn)物和開裂 現(xiàn)象。

將1Cr14Mn10Ni1和06Cr19Ni10兩種不銹鋼 材料焊接鋼管放置在中性鹽霧試驗(yàn)箱中,5個(gè)月后 取出焊接鋼管,其宏觀形貌如圖4所示。由圖4可 知:1Cr14Mn10Ni1不銹鋼鋼管焊縫附近存在開裂 現(xiàn)象,將開裂部位打開,斷口處無塑性變形,斷口粗 糙,未見疲勞源和疲勞擴(kuò)展痕跡;06Cr19Ni10不銹 鋼鋼管焊縫附近未發(fā)生開裂。

從 上 述 兩 件 經(jīng) 過 中 性 鹽 霧 試 驗(yàn) 的 1Cr14Mn10Ni1和06Cr19Ni10不銹鋼鋼管焊縫附 近取樣,用王水腐蝕后,將其置于光學(xué)顯微鏡下觀 察,結(jié)果如圖5所示。由圖5可知:1Cr14Mn10Ni1 不銹鋼鋼管裂口附近出現(xiàn)沿著晶界的黑色腐蝕產(chǎn) 物,06Cr19Ni10不銹鋼鋼管焊縫附近未出現(xiàn)沿著晶 界的黑色腐蝕產(chǎn)物。

1.5 局部貧Cr程度對(duì)比 

用 體 積 分 數(shù) 為 6% 的 FeCl3 溶 液 對(duì) 1Cr14Mn10Ni1不銹鋼和06Cr19Ni10不銹鋼焊接 鋼管進(jìn)行腐蝕,焊縫附近局部貧 Cr程度不同,導(dǎo)致 其耐腐蝕程度差異明顯,因此也可以用該方法直觀、 快速地鑒別焊縫附近局部貧Cr的程度。

分別采用4種不同的焊接工藝對(duì)2種規(guī)格的 1Cr14Mn10Ni1不銹鋼鋼管進(jìn)行焊接,經(jīng)過24h的 體積分?jǐn)?shù)為6%的FeCl3 溶液腐蝕后,焊縫附近3~ 5mm區(qū)域均已經(jīng)斷開。2種規(guī)格06Cr19Ni10不銹 鋼鋼管分別采用了4種不同的焊接工藝,即使經(jīng)過 72h的體積分?jǐn)?shù)為6%的FeCl3 溶液腐蝕,焊縫兩 側(cè)僅出現(xiàn)輕微的點(diǎn)狀腐蝕,結(jié)果如表2所示。6% (體積分?jǐn)?shù))FeCl3 溶液腐蝕后不銹鋼鋼管焊縫附近 宏觀形貌如圖6所示。 

2 綜合分析 

奧氏體不銹鋼含有少量的碳元素,其與鉻元素 形成碳化物Cr23C6,當(dāng)加熱到高溫時(shí),碳化物溶解于 γ相中,溫度越高,碳化物溶解得越多,再用急速冷 卻的方法將這種狀態(tài)保存到室溫,形成過飽和固溶 體(固溶處理)。在緩慢冷卻的過程中,為了保持平 衡,碳化物會(huì)從固溶體中析出。過飽和固溶體是不 穩(wěn)定的,在低溫(400~850℃)下再加熱時(shí),碳化物 會(huì)沉淀出來(敏化處理)。碳化物通常是優(yōu)先沿晶粒 間界析出的,這種變化使奧氏體不銹鋼產(chǎn)生了晶間 腐蝕趨向。在焊接時(shí),靠近焊縫處的溫度也會(huì)高達(dá) 400~850℃,因此,奧氏體不銹鋼材料的焊接結(jié)構(gòu) 都有受晶間腐蝕而發(fā)生破壞的可能[1]。

敏化處理時(shí),碳元素向晶粒間界的擴(kuò)散速率比 鉻元素大,Cr23C6 在晶粒間界發(fā)生沉淀,在晶粒間 界及其臨近區(qū)域的鉻元素發(fā)生貧乏現(xiàn)象。當(dāng)鉻元素 含量降低到鈍化所需的鉻元素含量極限值以下時(shí), 構(gòu)成了微電池,加速了沿晶粒間界的腐蝕。

奧氏體不銹鋼焊接接頭在焊接后的快速冷卻時(shí), 在奧氏體組織中呈現(xiàn)過飽和狀態(tài)的碳,一旦遇到 400~850℃的加熱溫度及適當(dāng)?shù)谋Ａ魰r(shí)間,晶內(nèi)鉻 原子的擴(kuò)散速率比碳原子小,鉻原子來不及向晶界擴(kuò) 散,導(dǎo)致晶界附近鉻含量大幅度降低,形成貧鉻區(qū),材 料的耐腐蝕性降低,進(jìn)而引發(fā)晶間腐蝕[2]。

1Cr14Mn10Ni1和06Cr19Ni10均屬于奧氏體 型不銹鋼材料。1Cr14Mn10Ni1不銹鋼中的碳元素 質(zhì)量分?jǐn)?shù)上限為0.15%,鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限為 13.00%;06Cr19Ni10不銹鋼材料的碳元素質(zhì)量分 數(shù)上限為0.08%,鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)下限為18.00%。 1Cr14Mn10Ni1不銹鋼碳含量較高,更容易形成 Cr23C6 碳化物,同時(shí)鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低,“局部貧 Cr”區(qū)域的鉻元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)更容易低于鈍化所需的 鉻 元 素 質(zhì) 量 分 數(shù) 的 極 限 值;不 同 規(guī) 格 的 1Cr14Mn10Ni1及06Cr19Ni10不銹鋼鋼管采用不 同的焊接工藝,經(jīng)6%(體積分?jǐn)?shù))的 FeCl3 溶液腐 蝕后,1Cr14Mn10Ni1不銹鋼鋼管焊縫附近斷裂傾 向嚴(yán)重,也進(jìn)一步得到了試驗(yàn)的驗(yàn)證。 

1Cr14Mn10Ni1焊管經(jīng)5個(gè)月長周期中性鹽霧 腐蝕后,焊縫附近出現(xiàn)開裂現(xiàn)象,常見的發(fā)生焊縫附 近開裂的都是1Cr14Mn10Ni1不銹鋼鋼管,裂縫附 近晶粒間界出現(xiàn)的黑色腐蝕產(chǎn)物是“局部貧 Cr”所 構(gòu)成大陰極-小陽極的微電池導(dǎo)致的晶間腐蝕。 06Cr19Ni10不銹鋼鋼管焊縫附近幾乎沒有開裂,說 明1Cr14Mn10Ni1焊管更容易出現(xiàn)晶間腐蝕,是開 裂失效的主要原因。 

預(yù)防和控制不銹鋼焊接件晶間腐蝕的措施主要 有:采用低碳不銹鋼材料、進(jìn)行焊后熱處理、加入強(qiáng) 碳化物等。受汽車底盤用排氣管、冷卻水管等不銹 鋼鋼管設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)、成本、制造能力等綜合因素的限 制,難以進(jìn)行焊后熱處理。加入鈦和鈮元素的強(qiáng)碳 化物焊接接頭受到焊接熱循環(huán)的作用,在過熱區(qū)發(fā) 生了 TiC和 NbC的溶解,這時(shí)的穩(wěn)定劑 Ti、Nb元 素已經(jīng)失去了穩(wěn)定碳元素的作用,如果該接頭被再 次加熱到400~850℃或其在這個(gè)溫度下工作,就有 出現(xiàn)刀狀腐蝕的危險(xiǎn)[3],且材料成本較高。建議采 用06Cr19Ni10等低碳甚至超低碳不銹鋼材料。

3 結(jié)論 

(1)1Cr14Mn10Ni1不銹鋼材料排氣管、冷卻 水管在焊接過程中,晶界附近容易析出Cr23C6 碳化 物,從而導(dǎo)致焊縫附近出現(xiàn)“局部貧 Cr”區(qū)域,構(gòu)成 大陰極-小陽極的微電池,形成晶間腐蝕,導(dǎo)致焊縫 附近局部的材料性能惡化,甚至出現(xiàn)早期斷裂。 

(2)采用6%(體積分?jǐn)?shù))的FeCl3 溶液對(duì)不銹 鋼焊接試樣進(jìn)行腐蝕,可以鑒別焊縫附近“貧Cr”的 區(qū)域和程度。 

(3)采用06Cr19Ni10等低碳不銹鋼材料可有 效抑制鋼管焊縫附近出現(xiàn)晶間腐蝕。

參考文獻(xiàn): 

[1] 肖紀(jì)美.不銹鋼的金屬學(xué)問題[M].北京:冶金工業(yè)出 版社,1983. 

[2] 曹龍韜,龔蘭芳,陳智江.304奧氏體不銹鋼管焊接接 頭開裂原因[J].理化檢驗(yàn)(物理分冊(cè)),2021,57(5): 76-79. 

[3] 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.

<文章來源 > 材料與測(cè)試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 59卷 > 8期 (pp:32-36)>