12.02.2018

Межкристаллитная коррозия аустенитных нержавеющих сталей


На рис. 6.47 представлен тип сварного соединения, подвергшегося межкристаллитному коррозионному воздействию в ЗТВ. На поверхности сварного соединения, контактирущего с коррозионной средой, часто видна линейная область коррозии, параллельная границе сплавления. Такие две области иногда называют "вагонной колеей", поскольку они симметричны и параллельны обеим сторонам шва. В поперечном сечении сильное коррозионное воздействие может наблюдаться в зоне "чувствительности" ("сенсибилизации") ЗТВ. Следует заметить, что указанная зона в виде коррозионной ленты находится на определенном расстоянии от границы сплавления. Это происходит вследствие того, что выделения карбидов, приводящие к возникновению коррозионной чувствительности, возникают в интервале температур примерно от 600 до 850 °С (от 1110 до 1560 °F). Свыше указанного интервала температур карбиды переходят обратно в твердый раствор, поэтому зона, непосредственно прилегающая к границе сплавления, относительно свободна от карбидов (полагая, что скорость охлаждения для выделения карбидов высока на стадии охлаждения).
В ЗТВ большинства аустенитных нержавеющих сталей обогащенные хромом карбиды M23C6 образуются преимущественно вдоль границ зерен, как показано на рис. 6.48. В результате, это приводит к образованию вдоль границ зерен областей, обедненных хромом, которые чувствительны к коррозионному воздействию. Следовательно, термин "чувствительность" (сенсибилизация (sensitization)) часто используется для описания металлургических процессов, приводящих к межкристаллитному коррозионному воздействию (атаке). Исключением являются стабилизированные марки сталей, такие как 347 и 321, содержащие ниобий и/или титан. В этих сталях ниобий и титан связывают углерод в стабильные карбиды типа MC и минимизируют образование карбидов M23C6 по границам зерен.

Межкристаллитная коррозия является результатом локального выделения богатых хромом карбидов или карбонитридов по границам зерен. Такое выделение требует диффузии хрома в узкой зоне из прилегающей матрицы и образования зоны, обедненной хромом, окружающей дисперсное выделение, как показано на рис. 6.49. Это снижает локальную стойкость к образованию коррозии в микроструктуре и создает условия для быстрого коррозионного воздействия на металл вблизи границ зерен. При определенном коррозионном воздействии эффект является локальным и приводит к образованию канавок по границам зерен, как показано на шлифе (см. рис. 6.49). В крайних случаях зерна сами выделятся из металла вследствие полной коррозии границ зерен и их растворения.

Наиболее сильное влияние на склонность к межкристаллитной коррозии аустенитных нержавеющих сталей оказывает углерод. Применение низкоуглеродистых марок сталей минимизирует риск "сенсибилизации", замедляя реакции выделения карбидов. Кривые такого выделения в координатах "время—температура", представленные на рис. 6.50, показывают влияние содержания углерода во время выделения. Следует заметить, что при низком содержании углерода (менее 0,04 %) "носик" кривой расположен по шкале времени более 1 ч, в то время как при содержании углерода от 0,06 до 0,08 % время выделения может быть менее минуты. Эта разница демонстрирует преимущество низкоуглеродистых сталей (марки с буквой L) относительно снижения или исключения повышения чувствительности к коррозии по границам зерен в ЗТВ при сварке. Наличие остаточных напряжений в ЗТВ также может способствовать ускорению реакции выделения карбидов.
В большинстве случаев повышение чувствительности к коррозии возникает в ЗТВ как прямой результат воздействия термического цикла сварки. Следует заметить, что диапазон температур термообработки для снятия напряжений для большинства аустенитных нержавеющих сталей перекрывает диапазон выпадения карбидов. Необходимо проявлять внимание, чтобы не повысить коррозионную чувствительность всей конструкции в целом при послесварочной термообработке. Это особенно важно для сталей, содержащих углерода более 0,04 %.

В целом металл швов, соответствующий маркам 308 и 316, с меньшей вероятностью может повысить чувствительность к коррозии, чем основной металл сталей марок 304 и 316. Феррит, который обычно существует в металле шва, более обогащен хромом, чем аустенит, и хром значительно быстрее диффундирует в феррите, чем в аустените, что помогает преодолеть любое снижение содержания хрома. Карбиды хрома M23C6 имеют тенденцию к выделению по извилистым границам феррит—аустенит по сравнению с более прямыми границами аустенит—аустенит. Указанные факторы сильно ограничивают тенденцию повышения чувствительности к коррозии металла швов аустенитных нержавеющих сталей, содержащего феррит. Таким образом, за исключением полностью аустенитного металла швов, повышение чувствительности к коррозии является проблемой ЗТВ, а не металла шва.

Методы по предотвращению повышенной чувствительности к коррозии

Снизить или устранить межкристаллитную коррозию в сварных швах аустенитных нержавеющих сталей можно следующими методами:

- выбрать основной и присадочный металлы с наиболее низким содержанием углерода (марки сталей с буквой L, такие как 304L и 316L);

- использовать основной металл, стабилизированный добавками ниобия и титана. Эти элементы — более мощные карбидообразователи, чем хром, поэтому они связывают углерод, снижая образование обогащенных хромом карбидов по границам зерен;

- использовать отожженный основной металл или отжигать его перед сваркой с целью снятия эффекта холодной обработки, которая ускоряет выделение карбидов;

- использовать при сварке низкое тепловложение и низкие температуры между проходами для увеличения скорости охлаждения металла, таким образом, минимизируя время его нахождения в интервале температур повышения чувствительности к коррозии;

- при сварке трубопроводов применять водяное охлаждение внутри трубы после выполнения корневого прохода. Это поможет устранить повышение чувствительности к коррозии при выполнении последующих проходов;

- провести термическую обработку твердого раствора металла после сварки. Нагрев сварных конструкций в интервале температур от 900 до 1100 °C (от 1650 до 2010 °F) растворяет любые карбиды, которые могли сформироваться по границам зерен в ЗТВ. Сварная конструкция затем закаливается с указанных температур для предотвращения выделения карбидов при охлаждении. Следует отметить, что существует множество практических случаев, ограничивающих полезность такого подхода. Деформация конструкции в результате закалки является серьезной проблемой для листовых конструкций. Невозможность проведения закалки сложной трубопроводной сварной конструкции также является лимитирующим фактором.
Ножевая коррозия аустенитных нержавеющих сталей

Mежкристаллитная коррозия может также возникнуть в определенных случаях в стабилизированных сталях таких марок, как 347 и 321. Такая коррозия, схематично изображенная на рис. 6.51, обычно возникает в очень узкой зоне, прилегающей к границе сплавления. Она иногда называется ножевой, поскольку внешне кажется, что сварной шов вырезан ножом. Указанный тип коррозии наблюдается при растворении стабилизирующих карбидов в зоне, прилегающей непосредственно к границе сплавления. При охлаждении обогащенные хромом карбиды образуются быстрее, чем карбиды ниобия и титана, что приводит к формированию узкой зоны с повышенной чувствительностью к коррозии. На большем расстоянии от границы сплавления карбиды ниобия и титана не растворяются и зона повышенной чувствительности к коррозии не формируется .

Повышенная чувствительность к коррозии аустенитных нержавеющих сталей при низких температурах

В 1970-1980 гг. установили, что повышенная чувствительность к коррозии реально может возникнуть при низких температурах (не более 300 °C (570 °F)) вслед за высокотемпературным термическим циклом, таким как, например, в ЗТВ. Данное явление получило название "повышенная чувствительность к коррозии при низких температурах", оно представляет определенную проблему применительно к трубопроводам из нержавеющей стали для электростанций. Этот вид коррозии возникает вследствие образования "зародышей" карбидов при исходной сварочной операции и в дальнейшем роста этих "зародышей" с образованием выделений карбидов при низкой температуре. Схематично указанное явление характеризует рис. 6.52. Долговременный эффект заключается в повышенной чувствительности к коррозии границ зерен и потенциальной возможности для межкристаллитной коррозии и коррозионному растрескиванию под напряжением, хотя С-образная кривая повышенной чувствительности к коррозии при нормальных условиях не пересекается с термическим циклом сварного элемента. Это явление имело место в низкоуглеродистых сталях (L-grade), но не представляет проблемы для стабилизированных марок сталей, таких как марка 347.





Яндекс.Метрика