什麼是敏化

不鏽鋼被加熱到約500~800℃時,晶界析出Cr碳化物使其周圍的Cr缺乏,而容易發生晶界腐蝕的現象。

日文名稱: 鋭敏化

「敏化」出現在2領域的2道練習題中(腐蝕與表面處理, 材料的加工與接合等)。

這個名詞所屬的領域: 材料的加工與接合

鉻缺乏的機制

不鏽鋼不易生鏽,是因為表面形成Cr氧化物的鈍化膜,一般認為這需要約11~12%以上的Cr。把沃斯田鐵系不鏽鋼保持在約500~800℃時,固溶的碳與Cr結合,Cr₂₃C₆ 等碳化物析出於晶界。碳擴散快而Cr只能緩慢移動,因此在碳化物緊鄰的晶界沿線,形成Cr濃度降到無法維持鈍態的帶。置於腐蝕環境時,此帶被選擇性溶解,腐蝕沿晶界進展。

時間與溫度的關係

敏化由溫度與保持時間的組合引起。溫度太高時碳充分固溶而不易形成碳化物,太低時擴散太慢,因此在中間溫度域以最短時間發生,在溫度與時間的圖上成為C字形曲線。碳量越多,曲線越移向短時間側,即使像焊接這樣短時間的加熱也容易敏化。只要時間夠長,在更低的溫度下碳化物也會逐漸成長,因此焊接後在較低溫度長期使用的配管等,也須注意低溫敏化。

鋼種造成的差異

把碳量降到約0.03%以下的SUS304L與SUS316L不易形成碳化物,能大幅防止焊接造成的敏化。添加Ti或Nb的穩定化鋼(SUS321、SUS347),先把碳固定為Ti或Nb的碳化物。不過即使是穩定化鋼,熔合線緊鄰處達到極高溫時,Ti或Nb的碳化物會溶解,之後再加熱時Cr碳化物析出,腐蝕可能沿焊道在細帶中進展(刀線腐蝕)。肥粒鐵系的碳固溶量小、擴散也快,因此有在從高溫冷卻途中也容易敏化的性質。

檢驗方法與復原方法

是否敏化,以在草酸中電解蝕刻觀察晶界溝槽形狀的方法、在硫酸與硫酸銅溶液中放入銅煮沸再彎曲觀察裂縫的Strauss試驗、測定電化學再活化電流的方法等來檢驗。敏化的鋼可藉加熱到約1000~1100℃使碳化物再固溶後急冷的固溶化熱處理復原。敏化的晶界也是應力腐蝕裂縫的通道,沸水式反應器配管發生的沿晶應力腐蝕裂縫,是促使重新檢討敏化對策而廣為人知的例子。

練習敏化的題目

將SUS304用於含大量氯離子的海水中時,容易發生的局部腐蝕與其對策的組合,下列何者正確?

  1. A全面腐蝕,增加厚度作為腐蝕裕度
  2. B孔蝕,改用含Mo的SUS316等
  3. C孔蝕,改用提高含碳量的不鏽鋼
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正確答案:B. 孔蝕,改用含Mo的SUS316等

氯離子局部破壞鈍化膜的弱點,引起小孔逐漸被深挖的孔蝕。在孔內,溶解的金屬離子水解使溶液變成酸性,為維持電中性氯離子會聚集,因此腐蝕會自我加速。周圍寬廣的鈍化面成為陰極,孔底成為小陽極,因此有時會急速進行到貫穿。對策是改用含較多強化鈍化膜之Mo、Cr、N的鋼種(含Mo約2〜3%的SUS316等),由這些含量求得的抗孔蝕當量(PREN)是選材的標準。這不是整面均勻減薄的腐蝕,因此增加厚度的對策並不有效。增加碳時晶界容易形成Cr碳化物(敏化),耐蝕性反而下降。

焊接SUS304等沃斯田鐵系不鏽鋼時,在離焊道稍遠的熱影響區有時會發生晶界腐蝕(weld decay)。其原因與對策的組合何者正確?

  1. A焊接的熱使熱影響區的沃斯田鐵轉變為麻田散鐵,使晶界變弱。焊接後再進行一次淬火
  2. B熔融部的高溫使Cr蒸發,焊接金屬的Cr含量降到12%以下。改用含Cr量多的焊條並增大焊接的入熱量
  3. C約500~800℃的熱影響區晶界析出Cr碳化物而周圍缺Cr。改用SUS304L或含Ti、Nb鋼
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正確答案:C. 約500~800℃的熱影響區晶界析出Cr碳化物而周圍缺Cr。改用SUS304L或含Ti、Nb鋼

離焊道稍遠的熱影響區中,有一個暴露在約500~800℃溫度一段時間的帶狀區域。該處的晶界析出Cr₂₃C₆等Cr碳化物,緊鄰晶界處的Cr濃度降到無法維持鈍態的值,因此腐蝕沿晶界進行。這稱為敏化。對策是使用減少形成碳化物之碳的低碳鋼(SUS304L)、使用將碳固定為Ti或Nb碳化物的穩定化鋼(SUS321或SUS347),以及焊接後進行固溶化熱處理使碳化物再固溶。沃斯田鐵系不鏽鋼淬火不會變成麻田散鐵,Cr的蒸發也不是主要原因。

常見問題

敏化與焊道腐蝕(weld decay)有何不同?

敏化是指晶界析出Cr碳化物形成Cr缺乏層,而容易發生晶界腐蝕之狀態的用語。焊道腐蝕是指焊接的熱使熱影響區敏化,在該帶中發生晶界腐蝕的現象。成因相同,是對焊接所造成者取的名稱。

使用L等級就不會敏化嗎?

像焊接這樣短時間的加熱不容易發生,但並非能完全防止。在敏化溫度域長時間保持時,即使碳少也會析出碳化物。在高溫長期使用時,要選用穩定化鋼,或確認在使用溫度與時間下是否會敏化。

肥粒鐵系或麻田散鐵系不鏽鋼也會敏化嗎?

會。肥粒鐵系的碳與氮固溶量小,從高溫冷卻途中晶界也會析出Cr的碳化物或氮化物而容易敏化,因此使用碳與氮極少的鋼或添加Ti、Nb的鋼。麻田散鐵系也可能依回火溫度,因碳化物析出使Cr缺乏而降低耐蝕性。

解析中的「敏化」

出現「敏化」的題目(2題)

  1. 將SUS304用於含大量氯離子的海水中時,容易發生的局部腐蝕與其對策的組合,下列何者正確?
  2. 焊接SUS304等沃斯田鐵系不鏽鋼時,在離焊道稍遠的熱影響區有時會發生晶界腐蝕(weld decay)。其原因與對策的組合何者正確?

相關名詞

孔蝕 不鏽鋼 焊接熱影響區 鈍態 麻田散鐵 包模鑄造 回彈 碳當量 熱均壓 擠製

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