不锈钢蝶阀锈蚀原因分析及解决办法

摘要：不锈钢蝶阀在使用过程中出现锈蚀现象。经过金相组织分析、染色试脸、热处理试脸、SEM 等试验分析，找到了材料锈蚀的关键因素是因为材料中沿晶界的碳化物析出形成贫铬区，从而造成不不锈钢蝶阀锈蚀。
关键词：蝶阀；锈蚀；碳化物
材质为 CF8M 的不锈钢蝶阀在使用过程中出现锈蚀现象。奥氏体不锈钢经正常热处理后，室温下组织应为奥氏体，耐蚀性能很好。为了分析蝶阀的锈蚀原因，在其上取样进行分析。萨孚流体控制（上海）有限公司
1 试验方法
取样进行化学成分分析（判断是否符合标准要求）、金相组织检查、热处理工艺试验及 SEM 分析。
2 试验结果及分析
2.1 化学成分
化学成分分析结果及标准成分见《表 1》。

成分 C Si Mn P S Cr Ni Mo
CF8M 0.08 1.5 1.5 0.04 0.04 18~21 9~12 2~3
蝶阀 0.10 0.60 0.61 0.024 0.009 18.05 9.71 1.45

2.2 金相分析
从出现锈蚀现象的蝶阀上切取了金相试样，经磨制抛光后，用三氯化铁水溶液腐蚀，在 Neophot-32 金相显徽镜上观察分析，其金相组织由奥氏体与另一种析出物组成。从理论上讲奥氏体不锈钢经正常热处理后，应得到均一奥氏体组织。组织中出现的另一析出物究 竟是何组织，有两种判断：一是 σ 相，另一种是碳化物。σ 相与碳化物形成的条件不同，但都具有一个共同的特点，那就是造成奥氏体不锈钢对晶间腐蚀的敏感性。
首先采用了杂色法进行 σ 相的鉴别。采用碱性赤血盐水溶液（赤血盐 10g + 氢氧化钾 10g + 水 100ml），试样在该试剂中煮沸2~4 min 后，铁素体呈黄色，碳化物被腐蚀，奥氏体呈光亮色，σ 相由褐色变为黑色。用上述方法将从蝶阀上切取的试样在碱性赤血盐水溶液中煮沸 4 min 后，在显徽镜下观察，析出物保持了原形貌，未发现明显变化。因此决定采用热处理的方法进一步试脸分析。
2.3 热处理试验分析
σ 相是一种铁铬原子比例大致相等的金属间化合物。化学成分、铁素体、冷变形、温变都不同程度地对 σ 相形成产生影响。采用染色法试验，在显微镜下观察析出相变化不明显，故采用了热处理的方法来鉴别 σ 相。有关资料介绍，σ 相通常是在 500~800℃ 长期时效中形成的。这是因为较高的温度下时效有利于铬的扩散。再高温度加热 σ 相将开始溶解，溶解完毕至少要在 920℃ 以上。在高于 σ 相的稳定温度加热可使之消除。形成 σ 相所需时间虽然很长，但消除 σ 相一般只要短时间加热即可。根据这一理论，制定了热处理工艺，观察组织中的析出相是否可以消除。将从蝶阀上切取的试样加热到 940℃，保温 30 min，然后在 Neophot-32 金相显微镜上观察分析。经热处理后的试样中的析出相没有消除，并保持原形貌，由此证明了该组织中的析出相有可能不是 σ 相。
2.4 SEM 分析
有时钢中出现的 σ 相，采用任何染色的方法均无法辨别其颇色，可采用 SEM 的分析方法来鉴别。因为已知 σ 相为铁与铬的化合物，含铬量为 42%~48%，通过 EDS 定性和定量分析测出未知相的组成元素及其含量，从而确定未知相。
对基体和析出相进行的微区定量分析结果见《表 2》。

《表 2》 EDS 定量分析结果 / %

成分 Fe Cr Ni Mo Si Mn
基体 70.463 16.365 10.211 1.239 0.466 1.257
析出相 56.908 33.629 3.681 4.835 0.040 0.907

EDS 分析结果表明，析出物的含铬量为 33.6%，明显高于基体中的 Cr 含量 16.3%，而 σ 相的含铬量是 42%~48%，因而否认析出相为 σ 相。综合染色试脸、热处理试验的结果，认为不锈钢蝶阀组织中的析出相不是 σ 相。经 SEM 观察析出相为一种共晶组织，是以铬为主的碳化物。
不锈钢蝶阀的材料为镍铬奥氏体不锈钢，这种材料一般都在固溶状态下使用。在室温状态下，其组织为奥氏体，奥氏体不锈钢在广泛的腐蚀介质中特别是大气中具有良好的抗腐蚀能力。对不锈钢蝶阀锈蚀的原因分析如下：
① 综合上述各项试验的结果，可判定蝶阀材料组织中析出相不是 σ 相，故蝶阀的锈蚀现象不是由 σ 相引起的。
② 通过 SEM 观察，确认蝶阀的组织中析出相是以铬为主的碳化物，这种共晶组织沿晶界分布。EDS 分析结果表明这种分布在晶界上的碳化物铬含量明显高于基体。这种碳化物是 M₂₃C₆ 型。随碳化物的析出，又得不到铬的扩散补充时，以碳化铬的形式沿奥氏体晶界析出，在碳化物周围形成贫铬区，从而奥氏体不锈钢晶界易被腐蚀。所以沿晶界析出 的碳化物是造成蝶阀锈蚀的主要原因。
③ 经固溶处理后的奥氏体不锈钢，由于在高温加热时大部分碳化物被溶解，奥氏体中饱和了大量的碳与铬，并因随后的快速冷却而固定下来，使材料有很商的耐腐蚀 性。因此应严格控制热处理工艺，固溶处理时将工件加热至高退，使碳化物充分溶解，然后迅速冷却，得到均一奥氏休组织。固溶处理后，如果采用缓慢冷却，在冷 却过程中碳化铬将沿晶界析出，从而导致材料耐腐蚀性能降低。

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