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(kāi)裂現(xiàn)象，開(kāi)裂部位距離焊縫邊緣3~10mm。不銹鋼鋼管焊縫附近開(kāi)裂部位宏觀形貌如圖1所示，由圖1可知：排氣管斷口處無(wú)塑性變形，斷口粗糙，未見(jiàn)疲勞源和疲勞擴(kuò)展痕跡。開(kāi)裂的不銹鋼鋼管材料為1Cr14Mn10Ni1鋼。
1.2 化學(xué)成分分析
對(duì)開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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75mm×1.5mm(外徑 × 壁厚)、89mm×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(kāi)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(kāi)裂現(xiàn)象，將開(kāi)裂部位打開(kāi)，斷口處無(wú)塑性變形，斷口粗糙，未見(jiàn)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(kāi)裂。
從上述兩件經(jīng)過(guò)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?jǐn)?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(guò)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(kāi)。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(guò)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(guò)飽和固溶體(固溶處理)。在緩慢冷卻的過(guò)程中，為了保持平衡，碳化物會(huì)從固溶體中析出。過(guò)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(lái)(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。
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(guò)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(lái)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。
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?jǐn)?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?jǐn)?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(zhǎng)周期中性鹽霧腐蝕后，焊縫附近出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象，常見(jiàn)的發(fā)生焊縫附近開(kāi)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(yáng)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(méi)有開(kāi)裂，說(shuō)明1Cr14Mn10Ni1焊管更容易出現(xiàn)晶間腐蝕，是開(kāi)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(guò)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)，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(guò)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(yáng)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。
作者：馮紅兵，趙浩飛，戎志冕，李坤洋，建占一
單位：宇通客車股份有限公司
來(lái)源：《理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè)》2023年第8期
