热处理工艺对30408 不锈钢晶间腐蚀影响机制的研究

引言

30408不锈钢广泛用于石油化工、食品机械、建筑装饰行业，但在某些条件下30408不锈钢极易发生晶间腐蚀，这严重影响相关设施设备的使用安全性和稳定性。晶间腐蚀是在金属材料晶界处引起的优先腐蚀现象，这种腐蚀造成金属材料的力学性能显著下降，甚至发生材料外观无显著变化的突发性失效事故，具有巨大的危险性。热处理作为加工工艺对不锈钢组织性能具有决定性作用，可以通过控制热处理工艺，提升材料耐晶间腐蚀性能，研究热处理工艺对30408不锈钢晶间腐蚀影响规律，对材料改善提升及扩展应用范围具有重要意义。

一、30408不锈钢概述

1.化学成分​

30408不锈钢的化学成分主要为铁（Fe）、铬（Cr）、镍（Ni）、碳（C）等，其大概的含量如下：Fe，基体元素含量高；Cr，一般含量在18%-20%，Cr是不锈钢防腐的主要元素，能够为不锈钢提供一层致密的表面层，增强其钝性；Ni，含量一般为8%-10%左右，Ni的加入可以稳定奥氏体组织，提高不锈钢韧性，改善其加工性能；C，一般含量不超过0.08%，C在不锈钢中有双重作用，适量的C可以提高钢的强度，但碳含量过高容易造成晶间腐蚀敏感。除此之外，30408钢中还含有少量的Mn、Si等元素。例如，某 30408 不锈钢板材，其化学成分（质量分数，%）为：C0.04，Si0.45，Mn1.21，P0.016，S0.010，Cr 18.23，Ni 8.15，其余为 Fe 及微量杂质。​

2.组织结构特点​

正常状态下，30408不锈钢组织成分中的奥氏体组织较为简单，奥氏体面心立方结构，塑性、韧性较高，组织成分极为细密，原子排列较为规整，使得30408不锈钢的加工性能较好，综合力学性能较优。但是这种组织在一定程度上也会受到条件的影响而变化，比如经过一定的加热及冷却至低温后，因操作不当而出现碳化物在晶间处析出，使晶界处的化学成分和组织发生变化，最终诱发晶间腐蚀。​

3.性能特点​

（1）力学性能​

30408不锈钢具有良好的强韧性配合，其屈服强度通常都在205MPa以上，抗拉强度可达到515MPa及以上，延伸率通常都在40%以上。良好的力学性能可以使其承担一定的负荷以及变形量，可以用于各种工程结构以及机械零件的制造。其次，30408不锈钢具有良好的冷加工性能，可以借助冷拉、冷轧等技术加工成各种形状，而且在加工过程中不易形成开裂等缺陷。​

（2）耐腐蚀性能​

在一般情况下，30408不锈钢具有良好的耐腐蚀性能，含较高的Cr元素，在表面有一层致密的钝化膜，使其难以渗透，使腐蚀介质无法接触到金属基体，从而降低腐蚀速率。在特殊情况，如含有某些腐蚀介质时（强氧化性酸、含有Cl-溶液等），或是在某些特定的温度及应力等条件下，30408不锈钢的耐腐蚀性会受影响，晶间腐蚀就是其中常见和最危险的腐蚀形式之一，不锈钢发生晶间腐蚀，晶界处是腐蚀优先发生的部位，晶界腐蚀使晶粒之间的结合力不断降低，使得材料的力学性能急剧恶化，从而影响材料的使用寿命及安全性能。

二、晶间腐蚀原理

晶间腐蚀主要是指金属材料中的晶粒边界处的腐蚀现象，这种腐蚀现象的特征为从晶界处向材料内进行腐蚀，晶粒的腐蚀相对较轻。金属材料在发生晶间腐蚀现象后，金属材料的表面并没有较大的改变，金属表面依旧具有光泽，但是金属晶粒间的黏聚力已经受到了严重的影响，当晶间腐蚀发展到一定范围之后会造成金属材料力学性能下降，金属材料的强度和韧性大幅度下降，严重时还会造成金属材料失去承重力，在外力较小的情况下会发生脆断。例如：部分化工设备由于长时间受到腐蚀性介质的浸泡，会造成30408不锈钢配件发生晶间腐蚀泄漏、损毁设备，进而影响正常的生产。

图 1 30408 不锈钢的晶间腐蚀

三、影响晶间腐蚀的因素

1.化学成分​

碳含量：碳是影响30408不锈钢晶间腐蚀敏感性的重要因素，碳含量越高，越容易在敏化温度范围内生成碳化铬，使得贫铬的晶界增多，晶间腐蚀敏感性增大，为避免晶间腐蚀，通常将30408不锈钢中的碳含量控制在较低水平，比如超低碳30408不锈钢，将碳含量控制在0.03%以内。​

合金元素：除了上述的铬、镍等合金元素外，还有其他合金元素也对30408不锈钢的晶间腐蚀性能有影响。例如Ti、Nb等元素会促使碳优先与他们形成碳化物（TiC、NbC）而非与铬形成碳化物，抑制碳化铬沿晶界析出，使晶界贫铬的现象得到改善，从而提高了其耐晶间腐蚀能力。另外，加入钼（Mo）元素会使其钝化膜变得稳定，一定程度上提高了其在某些介质中的耐蚀能力，对晶间腐蚀也有一定程度的抑制。​

2.微观组织结构​

晶粒尺寸：一般情况下，晶粒尺寸也会对晶间腐蚀造成一定的影响。晶粒越细腻，晶界面积就越大，晶界上的原子排列杂乱无序，杂质元素偏聚较易，敏化过程中也较易析出碳化物，所以细晶粒组织30408不锈钢的晶间腐蚀敏感性较高，然而晶粒组织较细，晶界的移动力较差，反而对晶间腐蚀起到抑制作用。

晶界结构：晶界结构（大角度晶界、小角度晶界）、晶界能、晶界洁净度等均能影响晶间腐蚀，大角度晶界晶界能高，在敏化条件下容易引起碳化物和杂质偏聚，易引起晶间腐蚀而变得敏感。洁净的晶界杂质元素少，具有较好的抗晶间腐蚀能力。此外，孪晶界等晶界结构对晶间腐蚀有阻碍作用，降低晶间腐蚀出现的几率。​

3.环境因素​

腐蚀介质：不同的腐蚀介质是影响30408不锈钢发生晶间腐蚀的重要因素，强氧化性的介质（如硝酸、浓硫酸等），容易破坏不锈钢表面的钝化膜，易发生晶间腐蚀。含有Cl－介质的氯离子，氯离子的侵蚀性较强，易穿透钝化膜，在晶界处形成点蚀，造成晶间腐蚀，此外还有腐蚀介质的pH值、温度、浓度等都会影响晶间腐蚀的速率、程度等。​

温度：温度也是影响晶间腐蚀的一个环境因素，不锈钢在敏化温度区（450℃-850℃）最容易发生晶间腐蚀，敏化温度区的碳化物析出速度较快易引起晶界贫铬；当温度低于敏化温度区，因为析出速度较慢，不易发生晶间腐蚀；当温度高于敏化温度区，碳化铬易重新溶回基体，不易发生晶间腐蚀。

四、热处理工艺对30408不锈钢晶间腐蚀的影响

1.固溶处理的影响

（1）固溶温度对晶间腐蚀的影响​

固溶温度同样对30408不锈钢晶间腐蚀性存在显著影响。固溶温度过低，碳化物未充分溶解到基体中，剩下的碳化物在后期的服役过程中又会析出在晶界处，导致晶界处贫铬，晶间腐蚀敏感。固溶温度越高，碳化物溶解得越充分，合金元素在基体中越均匀，越不易产生晶间腐蚀。然而，固溶温度过高会导致奥氏体晶粒的长大，晶界面积减小，晶界能降低，不利于碳化物的析出和扩散，同时过高的固溶温度会导致其它组织的变化，例如δ-铁素体等，使得不锈钢的性能变差。对于30408不锈钢，合适的固溶温度为1040℃-1100℃，合适固溶温度下进行固溶，在碳化物充分溶解的同时晶粒不至于长大，从而降低晶间腐蚀敏感性。​

（2）固溶时间对晶间腐蚀的影响​

固溶时间也是影响30408不锈钢晶间腐蚀性能的一个主要因素。在一定的固溶温度下，固溶时间过短，碳化物来不及充分的固溶，晶间腐蚀敏感性增加。随着固溶时间的延长，碳化物的不断溶解，合金元素的趋于均匀化，晶间腐蚀敏感性降低。但固溶时间过长，增加了生产成本，还会引起奥氏体晶粒的长大，降低材料的力学性能。因此，应结合不锈钢的具体成分，工件的尺寸大小，加热设备等条件合理选择合适的时间。一般情况下，对于30408不锈钢来说，在合适的固溶温度下，固溶时间选择在20-40分钟左右时，可以获得良好的晶间腐蚀性能和综合力学性能。

图2 30408 不锈钢不同固溶温度和时间对腐蚀速率的影响

图3 30408 不锈钢固溶后缓慢冷却金相图

（3）冷却速度对晶间腐蚀的影响​

冷却速度对固溶后的30408钢锈钢的耐晶间腐蚀性能有较大影响，快速冷却能够避免碳化物在冷却过程中形成，奥氏体过饱和，耐晶间腐蚀性能提高。冷却速度慢，冷却过程在敏化温度区间，碳扩散到了晶界上，和铬形成碳化铬，晶界贫铬，耐晶间腐蚀性能降低。例如空冷冷却速度慢，30408钢锈钢易产生晶间腐蚀，而采用水冷等快速冷却的方式，避免碳化物的析出防止不锈钢产生晶间腐蚀。固溶后应尽量快速冷却，耐晶间腐蚀性能良好。

图4 30408 不锈钢固溶后快速冷却金相图

2.敏化处理的影响

（1）敏化温度对晶间腐蚀的影响​

敏化温度对30408不锈钢晶间腐蚀敏感性的影响，在敏化温度下，碳化物在不同敏化温度下析出的速度和数量是不同的，一般来说，在越低的敏化温度区间下，碳化物析出速度越为缓慢，随着时间的推移，仍然有部分碳化物在晶界上析出，晶间腐蚀的敏感性越高。随着敏化温度的升高，碳化物逐渐加快，晶界贫铬现象严重，晶间腐蚀敏感性迅速增强，经实验证明在敏化温度600℃-700℃之间时，对30408不锈钢的敏化温度对晶间腐蚀敏感性影响最为明显，由于此时碳、铬扩散速度匹配程度较好，利于碳化铬快速在晶界上析出、聚集，因此，在生产和使用中应避免30408不锈钢长时间处于较长时间的温度范围内停留，防止晶间腐蚀。

（2）敏化时间对晶间腐蚀的影响

敏化时间也是影响30408不锈钢晶间腐蚀敏感性的一个关键因素，在一定的敏化温度下，随着敏化时间的延长，晶界上的碳化铬继续析出，贫铬区逐渐扩展，晶间腐蚀敏感性逐渐增强。敏化初期（0-2h）晶界上的碳、铬原子迅速形成Cr23C6，晶界上的贫铬层厚度以1.2μm/h的速度增长；敏化中期（2-6h），随着敏化时间的延长，贫铬层的扩展速度减慢，碳的扩散速度逐渐成为限制碳化铬析出的重要因素，贫铬层厚度以0.5μm/h的速度增长；当敏化时间超过6h后，在晶界周围碳基本扩散完全，碳化铬的析出已达到平衡，贫铬层厚度基本不再增长，保持在4.5μm左右。

图5 30408 不锈钢经过650℃×2h 敏化后晶间腐蚀试验

结语

综上所述，30408不锈钢的晶间腐蚀与钢的成分、组织和介质等有很大的关系，而热处理是影响组织性能的重要因素，对晶间腐蚀的控制尤为重要。分析表明，适当的固溶（1040℃-1100℃温度区间，保温20-40min及快速水冷）可以使碳化物充分的固溶而又不使晶粒长大，避免晶界贫铬；规避敏化（600℃-700℃）可以减少碳化铬在晶界析出和聚集，可以降低晶间腐蚀敏感性。

根据上述结论，在实际应用中，有针对性选择热处理方案：针对石化，医药等行业应用中的30408不锈钢应注意固溶参数控制，确保合金成分均匀；避免在焊接、热处理、服役中长时间停留于敏化温度区间，必要时采用后续固溶处理消除敏化影响，或进行成分优化（如C控制或添加Ti、Nb等稳定化元素），增强耐晶间腐蚀能力。通过以上方式在延长30408构件使用寿命的同时，保障设备稳定服役，对30408在恶劣腐蚀环境中的应用提供技术支撑。

参考文献：

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[2]刘文明，张新明，程新路，等.焊后热处理对S30408/Q345R不锈钢复合板耐蚀性能的影响[J].金属热处理，2024，49（1）：172-178.