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Ni对304不锈钢焊接接头耐蚀性能的影响

来源:至德钢业 日期:2019-01-18 02:38:22 人气:61

采用电化学方法和浸泡实验,研究了Ni304不锈钢焊接接头的均匀腐蚀、小孔腐蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀破裂等性能的影响.发现Ni的加入,可减少均匀腐蚀率、活化状态时的晶间腐蚀率和提高孔蚀电位Eb,抑制阳极活性溶解.然而加剧钝化状态时的晶间腐蚀倾向,并对应力腐蚀无改善作用.

前文报导了Ni304奥氏体304不锈钢缝隙腐蚀行为的影响,结果发现Ni元素在304不锈钢表层和基体过渡区富集,并以NiO的形式参与成膜,改变了其表面电化学行为,提高了抗缝隙腐蚀能力.在生产实际中304不锈钢制的加热器设备、管线等因焊接,而导致焊接接头在中性氯化物介质中腐蚀损坏的例子较多.然而,Ni对于304不锈钢焊接接头耐蚀性能的影响,至今仍缺少深入的研究.

本文采用电化学方法和浸泡实验,考察了7.02%11.98%Ni含量对304不锈钢焊接接头的均匀腐蚀、孔蚀、晶间腐蚀和应力腐蚀破裂等性能的影响.

1实验方法

实验选用7种不同含Ni量的304不锈钢,其成分范围和机械性能分别列于表1和表2.

试样机加工成30mm×30mm×2mm,水砂纸打磨至600#,清洗、丙酮擦拭、干燥后,采用钨极气体保护电弧焊(TIG)方法焊接.焊接工作电流为50A,速度为3.3×10-3mΠs.均匀腐蚀采用沸腾状态下在1%3%5%HCl溶液中浸泡6h,并以失重评价耐蚀性.采用测试孔蚀电位(Eb)500.05molΠLHCl+6%FeCl3溶液中浸泡实验考查耐孔蚀助电极为铂电极,参比电极为饱和甘汞电极(SCE).晶间腐蚀实验是在沸腾5%H2SO4溶液中浸泡6h和电化学再活化法(EPR)进行.即在30℃的0.5molΠLH2SO4+0.01molΠLKSCN溶液中,100mVΠmin的扫描速度阳极极化,当电位达到+300mV,随即逆向扫描,并借助再活化率评价晶间腐蚀倾向.孔蚀和EPR试样,以融合线为中心,工作面积为1cm2,其余部分均用硅树脂涂封.应力腐蚀试样,采用具有缝隙,又有残余应力的点焊接试样.焊接时电流为5.0kA、工作压力为34.22MPa,电极直径为4.5mm.实验是在不同温度的200×10-6Cl-溶液中浸泡240h,以应力腐蚀临界温度评定材料的耐蚀性.

2结果与讨论

沸腾状态下不同HCl溶液中浸泡实验结果见表3.随着HCl浓度的增大,304不锈钢焊接接头试样的腐蚀率增高.在相同条件下,304不锈钢Ni含量的增多使腐蚀率下降.譬如,5%HClS1S7试样的腐蚀率分别为11.2gΠm2?h9.0gΠm2?h,后者腐蚀率约下降1Π5.说明Ni元素有助于改善HCl介质中304不锈钢焊接接头的耐蚀性能.1示出80200×10-6Cl-溶液中的Eb值和500.05molΠLHCl+6%FeCl3溶液中的腐蚀率关系曲线.由图可见,Eb值与腐蚀率有着较好的对应关系,即钢中Ni含量的增加,使Eb变正,腐蚀率降低.值得指出的是,Ni含量在8.41%11.98%范围时,Eb值虽有较大幅度变正的倾向,但腐蚀率约为22mmΠa,其变化较小.然而Ni含量在7.02%7.76%范围时,Eb值变化幅度较小,但腐蚀率却急剧增大.这说明304不锈钢Ni含量低于8%,加剧了孔蚀的发生.实验后观察试样表面发现,孔蚀多发生在焊缝区.

3比较了沸腾状态下5%H2SO4溶液中浸泡实验和EPR试验结果.由图可知,5%H2SO4溶液中当Ni含量为7.02%,腐蚀失重约350gΠm2?h,而当Ni增至11.98%时失重下降至210gΠm2?h.这说明,304不锈钢焊接接头处于活化状态时,添加Ni元素有助于减少腐蚀率,改善了晶间腐蚀.然而EPR结果则表明,Ni含量为7.02%11.98%试样的再活化率分别为23%40%,后者增大约1.304不锈钢置于钝化状态时,反而促进了晶间腐蚀,使再活化率增大.200×10-6Cl-溶液中应力腐蚀试验结果示于图4.Ni含量在7.02%11.98%范围时,试样均在50℃发生破裂.诚然,本试验中Ni含量对应力腐蚀无改善作用.5示出应力腐蚀实验后的试样金相照片,系典型的穿晶型开裂,裂纹呈树枝状,从点焊接的缝隙区诱发,并向基体内部扩展.

Ni作为形成γ相元素,304奥氏体304不锈钢中其含量通常不低于8%,并与铁以互溶的形式存在于钢的α相和γ相中,使之强化,并通过细化α相的晶粒,改善钢的低温性能,尤其是韧性.从表2中可知,随着Ni含量的增加,304不锈钢机械性能有着较大的影响.譬如,Ni含量大于8.41%,钢的抗拉强度和屈服强度显著下降,而延伸率增大.

304不锈钢焊接接头耐蚀性能变劣,主要原因是由于焊接时的热循环导致热影响区合金表面贫乏Cr所致.本实验结果表明,Ni元素提高304不锈钢焊接接头耐均匀腐蚀、孔蚀和活化状态时的晶间腐蚀性能.Ni减少HCl中的均匀腐蚀率和5%H2SO4中的失重率、提高Eb,抑制阳极活性溶解.通过X-射线电子衍射分析[4]表明,304不锈钢表面膜由NiONiOH和γ-NiOOH等组成.Calsau[5]进一步验证了在钝化区膜结构发生转变,结果主要由NiO组成.由此可认为,Ni元素改善304不锈钢焊接接头耐蚀性,Ni的氢氧化物向NiO结构转变,并参与成膜过程有关.一方面,富集在304不锈钢表层和基体的过渡区NiCr的协同效应[1],改善了表面膜的钝化能力,进而提高了该膜的电化学稳定性,从而使表面膜抵抗侵蚀性离子破坏能力增强.另一方面,Ni元素对缩小304不锈钢焊接接头在低电位Π低pH值下的活化腐蚀区起有益作用.从而阻止小孔腐蚀的发展,改善活化状态时的晶间腐蚀性能.

然而在钝化区,Ni可提高碳的活度,因此增加钢中的Ni含量,就导致晶间贫铬区平衡铬量降低;同时又会使碳在晶界形成Cr23C6沉淀和导致晶间严重贫Cr,Ni加速304不锈钢焊接接头的晶间腐蚀.这一点,通过EPR实验结果得到验证.即随着Ni含量的增多,使再活化率增大,增强了晶间腐蚀的敏感性.

关于Ni元素对奥氏体304不锈钢应力腐蚀破裂的影响作了大量的工作,研究认为,提高Ni含量可以使临界破裂电位正移至腐蚀电位以上[7],因而增强抗应力腐蚀能力.18Cr2Fe基合金中含Ni量超过45%以上时,40%MgCl2沸腾溶液中才有效地抑制腐蚀破裂[8].而当Ni含量约在10%,应力腐蚀破裂最具有敏感性.本实验的结果亦证实,Ni含量在7.02%11.98%时正处于应力腐蚀敏感区间,故即使在低Cl-溶液中也对应力腐蚀无改善作用.

3结论

1、Ni元素有效地改善304不锈钢焊接接头的均匀腐蚀、小孔腐蚀,是由于NiCr的协同效应,提高了钝化膜的稳定性,抑制了阳极活性溶解.

2、Ni在腐蚀活化区改善晶间腐蚀,而置于钝化区时则加速腐蚀进行.

3、Ni含量在7.02%11.98%,对应力腐蚀无改善作用.

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