不锈钢水箱焊缝腐蚀分析

 
 
某型号不锈钢水箱在使用1个月后出现漏水现象。为查找水箱焊缝处漏水的根本原因，对水箱用水进行了氯离子含量检测，对从水箱上截取的样品进行了化学成分分析，拉伸测试，母材金相分析、非金属夹杂物检测，焊缝宏微观形貌分析，蚀孔宏微观形貌分析、微区成分分析。检测样品取样如图1-图3所示。检测结果如下所示：
1. 水样氯离子含量及PH检测

样品名称	检测项目	结果，mg/L
水样	氯化物	80.53

 
2. 化学成分分析：

元素	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	N	结论
要求	≤0.08	≤0.75	≤2.00	≤0.045	≤0.030	18.00~ 20.00	8.00~ 10.50	≤0.10	-
结果,%-2mm	0.04	0.45	1.12	0.044	0.002	18.50	8.09	0.03	符合
结果,%-2.5mm侧	0.04	0.55	1.04	0.045	0.003	18.42	8.14	0.03	符合
结果,%-2.5mmU型	0.03	0.50	1.05	0.035	0.004	18.50	8.12	0.03	符合

 
3. 拉伸测试：

测试项目	试样 类型	抗拉强度 (Rm) (MPa)	规定塑性延伸强度 (RP0.2) (MPa)	断后伸长率(A) (%) Lo=5.65mm	结论
要求	-	≥515	≥205	≥40	-
结果-2mm	矩形截 面试样	715	317	58.5	符合
结果-2.5mm侧		703	273	60.0	符合

 
4. 晶粒度检测，金相分析：
腐蚀剂：4%硝酸酒精溶液
步骤1. 从样品上制取金相试样；
步骤2. 镶嵌，清洁，打磨，抛光，腐蚀；
步骤3. 在显微镜下观察。
测试结果：
        2mm板材，2.5mm侧板材及2.5mmU型板材晶粒度级别为8级，晶粒较细小，金相组织为奥氏体+少量铁素体+少量马氏体。见图4-图6。
 
5. 非金属夹杂物含量

样品	类型 A		类型 B		类型 C		类型 D		DS类
	细系	粗系	细系	粗系	细系	粗系	细系	粗系
结果,%-2mm	-	-	-	-	-	-	0.5	-	-
结果,%-2.5mm侧	-	-	-	-	-	-	0.5	0.5	-
结果,%-2.5mmU型	-	-	-	-	-	-	0.5	-	-

 
6. 焊缝宏微观检测
测试结果：
       从样品A及样品E上取样进行焊缝宏微观金相分析，检测结果见图7-图12。由检测结果可知，样品A 和样品E焊缝及热影响区组织基本一致，焊缝组织为奥氏体+铁素体，铁素体含量约为40%，热影响区也出现较多铁素体，离熔合线越近铁素体含量越高。
 
7. 断口形貌分析，微区成分分析：
测试结果：
        缺陷位置宏微观形貌及微区成分分析如图13-图30所示。由图13-图16的缺陷截面形态可知，缺陷起始于一侧角焊缝的根部，焊缝及2mm母材出现腐蚀，并且2mm母材更容易被腐蚀。比较两道角焊缝的根部形态，一侧焊缝根部间隙较小，另一侧焊缝根部间隙较大。根据焊接特性，角焊缝的焊缝根部间隙较大为后焊的，同时先焊的角焊缝根部存在较大的拉应力。缺陷起始于先焊的角焊缝根部。由图19-图22可知，在焊缝及热影响区存在较多铁素体，由于铁素体Cr含量高于基体，必然导致奥氏体靠近铁素体区Cr含量降低。 Cr含量降低区的耐腐蚀能力将低于Cr含量正常区域。图23-图27显示，在焊缝和靠近焊缝的2mm母材有Cr的化合物形成，Cr的化合物中Cr含量高于铁素体Cr含量，此必然导致周围区域Cr含量更低，也更不耐腐蚀。同时，微区成分分析显示，Cr的化合物中C的含量较高。碳元素应是CO2保护气体在焊接过程中分解出碳原子渗入所致，碳原子容易与铬结合形成铬的化合物，从而形成贫铬区。
 
8. 结论分析：
       由上述检测项目可知，水样含有较多氯离子，相关资料表明，在室温条件下，304奥氏体不锈钢的使用环境氯离子含量超过25ppm时，不锈钢表面钝化膜将被显著破坏。水箱所用材料化学成分及力学性能符合标准要求，抗拉强度较高，这也与金相检测发现少量马氏体相一致，马氏体含量越高抗拉强度也越高。非金属夹杂物含量较少。
       水箱焊缝及热影响区漏水是以下几方面因素共同作用的结果：
1． 应力腐蚀：奥氏体不锈钢产生应力腐蚀的条件是腐蚀性环境及拉应力。如前所述，样品A先焊的角焊缝焊缝根部存在拉应力，水箱中的水样又含有较多的氯离子，如此在先焊的焊缝根部便出现应力腐蚀现象，这与图4-图7显示的在先焊焊缝根部发现腐蚀而后焊焊缝根部没有发现腐蚀是一致的。腐蚀点一旦出现，在拉应力作用下腐蚀处的腐蚀便会加速腐蚀从而出现较大的蚀孔。
2． 点腐蚀：奥氏体不锈钢中若不存在拉应力，在腐蚀性环境中则主要发生点腐蚀。图15所示2mm母材被腐蚀主要是点腐蚀的作用。点腐蚀一旦形成，将形成蚀孔并不断加深。
3． 贫铬区的形成：焊接导致焊缝及热影响区形成较多铁素体及铬的化合物。铁素体及铬的化合物铬含量较高，必然导致铁素体及铬的化合物周边区域贫铬，降低了相应区域的耐腐蚀性能。样品A由于在同一区域做了两次焊接，从而更容易出现贫铬区。
4． 母材金相组织存在缺陷：奥氏体不锈钢存在少量5%左右铁素体有利于提高不锈钢的耐腐蚀性能。但若母材本来就含有少量铁素体，则在热影响区将形成较多铁素体，如此则进一步降低了热影响区处的耐腐蚀能力。另外资料(1)显示，奥氏体不锈钢中的少量马氏体将降低其耐腐蚀能力。
        观察整个水箱腐蚀漏水的位置，腐蚀集中在水箱的中下部位，下部更为严重，所以腐蚀介质是水箱腐蚀漏水的主要影响因素。
注：（1）徐瑞芳，许淳淳，薛慧勇，王新军，朱健  奥氏体不锈钢中马氏体含量对其钝化膜稳定性的影  响， 材料保护 1998，(9)：7-8
 
9. 改进建议
1．减少焊接过程中的热影响及焊接应力，避免应力腐蚀。
2．控制所用自来水中氯离子的含量，应不高于25ppm。
3．严格控制原材料中的体素体及马氏体含量，应为单一的奥氏体。
4．改氩气二氧化碳保护为氩气氧气保护，避免碳原子渗入焊缝，减少形成Cr的化合物的机会。
5．将某一焊接工艺应用于生产前进行焊接工艺评定，确定焊接工艺符合产品要求。