摘 要:汽车底盘用排气管、冷却水管等不锈钢钢管焊缝附近发生开裂现象,采用宏观观察、化 学成分分析、金相检验等方法对其开裂原因进行了分析。结果表明:相比06Cr19Ni10不锈钢, 1Cr14Mn10Ni1不锈钢的钢管焊缝附近更容易析出Cr23C6 碳化物,并出现局部贫Cr,贫Cr区域沿 着晶界发生腐蚀开裂。
关键词:不锈钢钢管;焊缝;局部贫Cr;开裂
1 理化检验
1.1 宏观观察
汽车底盘用排气管、冷却水不锈钢钢管等在出 厂运行1~2a后,焊缝附近部位经常发生开裂现 象,开裂部位距离焊缝边缘3~10mm。不锈钢钢 管焊缝附近开裂部位宏观形貌如图1所示,由图1 可知:排气管断口处无塑性变形,断口粗糙,未见疲 劳源和疲劳扩展痕迹。开裂的不锈钢钢管材料为 1Cr14Mn10Ni1钢。
1.2 化学成分分析
对开裂的排气管和冷却水管进行化学成分分 析,结果如表1所示,由表1可知:开裂不锈钢钢管 的化学成分均符合技术要求。
1.3 金相检验
分别在开裂的排气管和冷却水管焊缝裂纹附近 取样,用王水腐蚀试样后,将其置于光学显微镜下观 察,结果如图2所示。由图2可知:裂纹附近均出现 了明显的沿着晶界的黑色腐蚀产物和开裂现象。
1.4 腐蚀试验验证
从1Cr14Mn10Ni1和06Cr19Ni10两种不锈钢 材料焊接的钢管焊缝附近取样,两种材料规格分别 为75 mm×1.5 mm(外 径 × 壁 厚)、89 mm× 1.5mm(外径×壁厚),用王水腐蚀后,将其置于光 学显微镜下观察,结果如图3所示。由图3可知:焊 缝附近均未发现沿着晶界的黑色腐蚀产物和开裂 现象。
将1Cr14Mn10Ni1和06Cr19Ni10两种不锈钢 材料焊接钢管放置在中性盐雾试验箱中,5个月后 取出焊接钢管,其宏观形貌如图4所示。由图4可 知:1Cr14Mn10Ni1不锈钢钢管焊缝附近存在开裂 现象,将开裂部位打开,断口处无塑性变形,断口粗 糙,未见疲劳源和疲劳扩展痕迹;06Cr19Ni10不锈 钢钢管焊缝附近未发生开裂。
从 上 述 两 件 经 过 中 性 盐 雾 试 验 的 1Cr14Mn10Ni1和06Cr19Ni10不锈钢钢管焊缝附 近取样,用王水腐蚀后,将其置于光学显微镜下观 察,结果如图5所示。由图5可知:1Cr14Mn10Ni1 不锈钢钢管裂口附近出现沿着晶界的黑色腐蚀产 物,06Cr19Ni10不锈钢钢管焊缝附近未出现沿着晶 界的黑色腐蚀产物。
1.5 局部贫 Cr程度对比
用 体 积 分 数 为 6% 的 FeCl3 溶 液 对 1Cr14Mn10Ni1不锈钢和06Cr19Ni10不锈钢焊接 钢管进行腐蚀,焊缝附近局部贫 Cr程度不同, 导致 其耐腐蚀程度差异明显,因此也可以用该方法直观、 快速地鉴别焊缝附近局部贫Cr的程度。
分别采用4种不同的焊接工艺对2种规格的 1Cr14Mn10Ni1不锈钢钢管进行焊接,经过24h的 体积分数为6%的FeCl3 溶液腐蚀后,焊缝附近3~ 5mm区域均已经断开。2种规格06Cr19Ni10不锈 钢钢管分别采用了4种不同的焊接工艺,即使经过 72h的体积分数为6%的FeCl3 溶液腐蚀,焊缝两 侧仅出现轻微的点状腐蚀,结果如表2所示。6% (体积分数)FeCl3 溶液腐蚀后不锈钢钢管焊缝附近 宏观形貌如图6所示。
2 综合分析
奥氏体不锈钢含有少量的碳元素,其与铬元素 形成碳化物Cr23C6,当加热到高温时,碳化物溶解于 γ相中,温度越高,碳化物溶解得越多,再用急速冷 却的方法将这种状态保存到室温,形成过饱和固溶 体(固溶处理)。在缓慢冷却的过程中,为了保持平 衡,碳化物会从固溶体中析出。过饱和固溶体是不 稳定的,在低温(400~850℃)下再加热时,碳化物 会沉淀出来(敏化处理)。碳化物通常是优先沿晶粒 间界析出的,这种变化使奥氏体不锈钢产生了晶间 腐蚀趋向。在焊接时,靠近焊缝处的温度也会高达 400~850℃,因此,奥氏体不锈钢材料的焊接结构 都有受晶间腐蚀而发生破坏的可能[1]。
敏化处理时,碳元素向晶粒间界的扩散速率比 铬元素大,Cr23C6 在晶粒间界发生沉淀,在晶粒间 界及其临近区域的铬元素发生贫乏现象。当铬元素 含量降低到钝化所需的铬元素含量极限值以下时, 构成了微电池,加速了沿晶粒间界的腐蚀。
奥氏体不锈钢焊接接头在焊接后的快速冷却时, 在奥氏体组织中呈现过饱和状态的碳,一旦遇到 400~850℃的加热温度及适当的保留时间,晶内铬 原子的扩散速率比碳原子小,铬原子来不及向晶界扩 散,导致晶界附近铬含量大幅度降低,形成贫铬区,材 料的耐腐蚀性降低,进而引发晶间腐蚀[2]。
1Cr14Mn10Ni1和06Cr19Ni10均属于奥氏体 型不锈钢材料。1Cr14Mn10Ni1不锈钢中的碳元素 质量分数上限为0.15%,铬元素质量分数下限为 13.00%;06Cr19Ni10不锈钢材料的碳元素质量分 数上限为0.08%,铬元素质量分数下限为18.00%。 1Cr14Mn10Ni1不锈钢碳含量较高,更容易形成 Cr23C6 碳化物,同时铬元素质量分数较低,“局部贫 Cr”区域的铬元素质量分数更容易低于钝化所需的 铬 元 素 质 量 分 数 的 极 限 值;不 同 规 格 的 1Cr14Mn10Ni1及06Cr19Ni10不锈钢钢管采用不 同的焊接工艺,经6%(体积分数)的 FeCl3 溶液腐 蚀后,1Cr14Mn10Ni1不锈钢钢管焊缝附近断裂倾 向严重,也进一步得到了试验的验证。
1Cr14Mn10Ni1焊管经5个月长周期中性盐雾 腐蚀后,焊缝附近出现开裂现象,常见的发生焊缝附 近开裂的都是1Cr14Mn10Ni1不锈钢钢管,裂缝附 近晶粒间界出现的黑色腐蚀产物是“局部贫 Cr”所 构成大阴极-小阳极的微电池导致的晶间腐蚀。 06Cr19Ni10不锈钢钢管焊缝附近几乎没有开裂,说 明1Cr14Mn10Ni1焊管更容易出现晶间腐蚀,是开 裂失效的主要原因。
预防和控制不锈钢焊接件晶间腐蚀的措施主要 有:采用低碳不锈钢材料、进行焊后热处理、加入强 碳化物等。受汽车底盘用排气管、冷却水管等不锈 钢钢管设计结构、成本、制造能力等综合因素的限 制,难以进行焊后热处理。加入钛和铌元素的强碳 化物焊接接头受到焊接热循环的作用,在过热区发 生了 TiC和 NbC的溶解,这时的稳定剂 Ti、Nb元 素已经失去了稳定碳元素的作用,如果该接头被再 次加热到400~850℃或其在这个温度下工作,就有 出现刀状腐蚀的危险[3],且材料成本较高。建议采 用06Cr19Ni10等低碳甚至超低碳不锈钢材料。
3 结论
(1)1Cr14Mn10Ni1不锈钢材料排气管、冷却 水管在焊接过程中,晶界附近容易析出Cr23C6 碳化 物,从而导致焊缝附近出现“局部贫 Cr”区域,构成 大阴极-小阳极的微电池,形成晶间腐蚀,导致焊缝 附近局部的材料性能恶化,甚至出现早期断裂。
(2)采用6%(体积分数)的FeCl3 溶液对不锈 钢焊接试样进行腐蚀,可以鉴别焊缝附近“贫Cr”的 区域和程度。
(3)采用06Cr19Ni10等低碳不锈钢材料可有 效抑制钢管焊缝附近出现晶间腐蚀。
参考文献:
[1] 肖纪美.不锈钢的金属学问题[M].北京:冶金工业出 版社,1983.
[2] 曹龙韬,龚兰芳,陈智江.304奥氏体不锈钢管焊接接 头开裂原因[J].理化检验(物理分册),2021,57(5): 76-79.
[3] 于启湛,丁成钢,史春元.不锈钢的焊接[M].北京:机 械工业出版社,2009.
<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 59卷 > 8期 (pp:32-36)>