钼对低合金钢硝酸盐体系应力腐蚀的影响.pdf

第 16 卷增刊 1 9 9 4 年 3 月北京科技大学学报 J o u r n a l o f U n i v e r s i t y o f S e i e n e e a n d T e e h n o l o g y B e i i i n g V o l . 16 M a r . 1 9 9 4 钥对低合金钢硝酸盐体系应力腐蚀的影响曹备方智吴荫顺 (表面科学与腐蚀工程系 ) 摘要以高风温热风炉用钢的沿晶应力腐蚀开裂问题为背景 , 研究了 M 。对低合金钢在硝酸盐溶液中的应力腐蚀行为。结果表明 , 低合金钢中加入合金元素将使钢中贝氏体和 /或珠光体含量增大 , 从而提高了材料的稳定性和抗 S C C 耐蚀性。提出了低合金钢 `硝酸盐溶液体系的 “ 温度一铝含量一 s c C 图 ” 。关键词低合金钢 , 应力腐蚀开裂 . 钥元素 , 贝氏体 T h e E ff e e t o f M o o n s (二C o f S y s t e m “ L o w A l l o y S t e e l s / N i t r a t e S o l u t i o n s ” 曲 0 B e , F “ , , 9 Z h ; W z` Y ; , 2、 h u , , ( D e p t . ( ) f S u r f a e e S e 一e n c e a n d C () r r ( )卜 l ( ) n E n g l n e e r x n g ) A B S T R A C T T I : e e ff e e t o f M o o n r h e s u s e e p t i b i li t y t o S C C o f t h e l o w a ll o y s t e e l s i n n i t r a t e s o l u t i o n s h a s b e e n s t u d i e d b y S S R T t e e h n i q u e o n l h o b a e k g r o u n d o f t h e i n t e r g r a n u l a r s t r e s s e ( ) r r o s i o n e r a e k i n g a t h i g h t e m p e r a t u r e . T h e a d d i t i o n o f M o t o t h e a ll o y s t e e l 1 5 f a v o r a b l e f o r t h e t r a n s f o r m a t i o n o f f e r r i t e t o b a i n i t e a n d / o r P e a r li t e a n d t h e l a t t e r s a r e m o r e r e s i s t a n t t o S C C t h a n t h e f o r rn e r . T h e d i a g r a m o f “ t e m p e r a r t一r e 一 M o e o n t e n t 一 S C C ” o f t h e s y s t e m “ l o w a ll o y s t e e l s / n i t r a t e S o l u t i o n S ” 1 5 P r o p o s e d . K E Y WO R D S l o w a ll o y s t e e l , s t r e s s e o r r o s l o n e r a e k i n g , M o e l e rn e n t , b a i n i t e 60 年代以来 , 在钢铁工业中 . 人们为了提高生产率、节约能源 , 普遍采用提高热风炉风温这一有效措施 , 但也相继在荷兰、西德、美国、日本等工业发达国家 , 于高风温热风炉的壳板、拱顶、拱脚、热风出口、围管和交接处 , 以及燃烧室壁的钢板 ( 管 ) 处发生严重的应力腐蚀断裂事故比 6口。 19 3 一 10 一 20 收稿第 ·作者男 2 8 岁硕士工程师 DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 1994. s1. 004

· 1 8 · 北京科技大学学报研究表明 , 燃料中的氮和空气中的氧及水份在热风炉的高温 ( > 1 3 4 9 ℃ ) 条件下形成了 N O 、 , 继而形成硝酸和硝酸盐匕 8 〕 . 然后冷凝在低于露点温度的壳壁处 ; 热风炉在送风期、燃烧期和燃烧脉动使壳板和钢管承受着脉动的拉伸应力 ; 此外还承受着热风炉制造过程中产生的加工应力和焊接残余应力。在拉伸应力和硝酸盐溶液的共同作用下 , 使壳板和钢管产生了应力腐蚀开裂 ( S C C ) , 这是热风炉壳板断裂的原因。为避免和减少热风炉应力腐蚀断裂事故造成的损失 , 国外已进行大量研究 , 但还仅处于实验阶段。我国由于热风炉的工作风温比较低 ( 一般仅为 1 0 0 。一 1 1 0 0 ℃ ) , 迄今尚未发生应力腐蚀断裂事故。某些钢铁厂为提高生产率正在设计制造较高风温的热风炉 , 防止应力腐蚀断裂事故的产生。本文研究了低合金钢中添加合金元素 M o 对耐应力腐蚀性能的影响及其作用机理。 1 实验方法采用国产低合金钢 ( 1 6M n ) 和 s 种不同含 M o 量的自制钢 ( T M A 0 . 2 8 写M o ; T M B .0 50 5 % M o T M C .0 94 。 % M o) 作为试样材料。为避免机械加工可能引起的缺口效应 , 预先在磷一铬酸溶液中对试样的试验标距部位进行电解抛光 , 以获得均匀光滑的表面状态。用化学纯硝酸钠和蒸馏水配制不同浓度的试验溶液。试验温度为 25 一 90 C 。采用慢应变速率应力腐蚀试验 , 十字头恒速为 2 . 5 x 1 0 一 s m m / s 。自制极化池可在慢拉伸过程中进行电化学极化和测量 ( 图 1 ) 。芝日。一. 。一 . 同锌叫拓岛燕噢 } 图 l 极化池示意图 1 盐桥 ; 2 毛细管 : 3 触点温度计 ; 4 通气孔 ; 5 试样 ; 6 辅助电极 ; 7 温度计 ; 8 加热器 F i g . 1 S e h e n a t i e d i a g r a m o f t h e t e s t in g e e l l i n S R T 图 2 一 o m o l / I J N a N o 、溶液中的盔随温度的变化关系 ( 。一 l x lo 一 ` s 一 ’ ) F ig · 2 T h e i n f l u e n e e o f t e m P e r a t u r e o n t h e 舀 i n 1 . o m o . / L N a N O 3 ( 。 = l 火 10 一 ` s 一 ’ )

曹备等：钼对低合金钢硝酸盐体系应力腐蚀的影响 ·19· 2实验结果 2.1合金元素Mo对SCC敏感性影响图2示出了含Mo量分别为0%(16Mn)、0.28%(TMA)和0.51%(TMB)的低合金钢在1.Omol/LNaNO,溶液中应力腐蚀裂纹扩展速率随试验温度的变化关系。实验结果表明，含Mo量0.94%(TMC)钢在所有的实验温度下均无SCC敏感性，a=0。不含Mo 的钢(16M)随实验温度的提高，裂纹扩展速率迅速增大，说明SCC敏感性随温度提高而显著增强。中等含Mo量(TMA、TMB)钢随实验温度的提高，裂纹扩展速率缓慢增大，表明合金元素M0的加入，可以减缓实验温度对低合金钢应力衡蚀敏感性的影响，在较高温度下的作用尤其显著。对4种不同含Mo量(0%，0.28%，0.51%，0.94%Mo)的低合金钢在25~90C的 1.0mol/LNaNO溶液中进行慢拉伸SCC实验，经金相和扫描电镜观察确定SCC敏感性并计算列纹扩展速率。图3示出了低合金钢SCC裂纹扩展速率a随含Mo量变化的关系。各种钢的SCC裂纹扩展速率随含Mo量提高而明显降低，直至对SCC无敏感性(a=0)。结果表明，含0.940%Mo的钢在25~90℃试验温度下对SCC无敏感性，而不含Mo的16Mn钢对SCC甚为敏感，其余含Mo量的钢在一定温度以下无SCC敏感性。显然添加合金元素Mo 可显著提高低合金钢在硝酸盐介质中的抗SCC耐蚀性，作者根据试验结果提出了“温度-钼含量-SCC图”（图4），对确定SCC免疫的、可用的界限温度具有实际意义。 20 90℃ 5 15 SCC 令 0 部 75℃ 10上 0 H no SCC 50℃ 25 25℃ 0.2800.505 0940 0 0.2800.505 0.940 Mo含量，wM,% Mo含量，t% 图3a与含M0量的关系图4温度钼含量-SCC图 (1.0mol/LNaNO3溶液，e-1×10sI) Fig.4 The diagram of Fig.3 The dependence of a on the Mo content "Temperature-Mo Content-SCC" 2.2合金元素Mo对SSRT过程中电位稳定性影响对低合金钢在NaNO,溶液中的应力腐蚀实验过程进行电位监测，凡对SCC敏感的材料在慢拉伸过程中，当产生SCC时，自腐蚀电位Eκ变化较大，且有明显的电位振荡现象；

曹备等 : 钥对低合金钢硝酸盐体系应力腐蚀的影响 2 实验结果 2 . 1 合金元素 M O 对 S C C 敏感性影响图 2 示出了含 M o 量分别为。 % ( 1 6 M n ) 、 0 . 2 8 % ( T M A ) 和 0 . 5 1 % ( T M B ) 的低合金钢在 1 . o m ol / L N a N O 。溶液中应力腐蚀裂纹扩展速率随试验温度的变化关系。实验结果表明 , 含 M o 量。 . 94 % ( T M C ) 钢在所有的实验温度下均无 S C C 敏感性 , a 一。。不含 M o 的钢 ( 16 M n) 随实验温度的提高 , 裂纹扩展速率迅速增大 . 说明 S C C 敏感性随温度提高而显著增强。中等含 M 。量 ( T M A 、 T M B ) 钢随实验温度的提高 , 裂纹扩展速率缓慢增大 , 表明合金元素 M o 的加入 , 可以减缓实验温度对低合金钢应力腐蚀敏感性的影响 , 在较高温度下的作用尤其显著。对 4 种不同含 M o 量 ( o % , 0 . 2 8 % , 0 . 5 一% , 0 . 9 4 % M o ) 的低合金钢在 2 5 一 9 0 一 C 的 1 . o m ol / L N a N O 3 溶液中进行慢拉伸 S C C 实验 , 经金相和扫描电镜观察确定 S C C 敏感性并计算列纹扩展速率。图 3 示出了低合金钢 S C C 裂纹扩展速率五随含 M 。量变化的关系。各种钢的 S C C 裂纹扩展速率随含 M 。量提高而明显降低 , 直至对 S C C 无敏感性 ( 五~ 。 ) 。结果表明 , 含 0 . 94 0 % M o 的钢在 25 一 90 ℃ 试验温度下对 S C C 无敏感性 , 而不含 M o 的 16 M n 钢对 S C C 甚为敏感 , 其余含 M o 量的钢在一定温度以下无 S C C 敏感性。显然添加合金元素 M 。可显著提高低合金钢在硝酸盐介质中的抗 S C C 耐蚀性。作者根据试验结果提出了 “ 温度一钥含量一 S C C 图 ” ( 图 4) , 对确定 S C C 免疫的、可用的界限温度具有实际意义。卯 ℃ O 0 S C℃ 75 ℃ / / “ / / / 0 0 n o S C C 口1 卜刃 / 50 ℃ 25 于 / / 25 ℃ `.we`.卜lesL.1e fweLsI !weLls||I 巧10205 。一之日 i 。1 . 噢辐端群网锌瑕 0 a 280 .0 印5 .0 卿) M O 含量 , Wt % 0 . 28() 0乃05 0 . 叫O M o 含量 , wt , % 图 3 、与含 M O 量的关系 ( 1 . o m o l / L N a N 0 3 溶液 , 。一 1 X 1 0 ` s 一 ’ ) F ig · 3 T h e d e P e n d e n e e o f 百 o n t h e M o e o n t e n t 图 4 温度一相含量一 S C C 图 F i g · 4 T h e d i a g r a m o f “ T e m 讲 r a t u r e 一 M o C o n t e n t 一 S C C ” 2 . 2 合金元素 M O 对 sS R T 过程中电位稳定性影响对低合金钢在 N a N 0 3 溶液中的应力腐蚀实验过程进行电位监测 , 凡对 S C C 敏感的材料在慢拉伸过程中 , 当产生 S C C 时 , 自腐蚀电位 E K 变化较大 , 且有明显的电位振荡现象 ;

曹备等 : 钥对低合金钢硝酸盐体系应力腐蚀的影响。 2 1 · 适用于作热风炉壳板。 ( 2) 合金元素 M o 提高材料抗 S C C 能力的作用机理是 : M 。元素促进钢中的铁素体相向具有较高耐蚀性的贝氏体和 / 或珠光体相转变。 ( 3) 建立了低合金钢/硝酸盐体系 “ 温度一 M o 含量一 S C C 图 ” 。这对确定材料的可安全使用的界限温度具有实际意义。参考文献 K o w o k a M , e t a l . I r o n a n d S t e e l E n g , 1 9 8 0 , 5 7 ( 5 ) : 2 5 V o g e 、 1 G . l r o n a n d S t e e l E n g , 1 9 8 0 , 5 7 ( 1 ) : 4 3 I 一 o b e m e i e r F , e t a l . I r o n a n d S t e e l E n g , 1 9 8 0 , 5 7 ( 4 ) : 4 8 S u e k e r D , e t a l . S t a h l u n d E i s e n , ] 9 8 1 , 1 0 1 ( 1 5 ) : 1 0 1 3 S m i t h M a r v i n O , J r . I r o n a n d S t e e l E n g , 1 9 8 0 , 5 7 ( 8 ) : 3 3 M u a t a T , e t a l . l r o n a n d S t e e l E n g , 1 9 8 0 , 5 7 ( 2 ) : 6 0 S m i t h M a r v i n 0 . J r . I r o n m a k i n g P r o e e e d t n g s , W a s h i n g t o n D C . U S A , 2 3 一 2 6 M a r . 2 9 8 0 , 3 9 : 4 5 0 K a lf a H . D i s s e r t a i t i o n , H W T H A a e h e n . W e s t G e r m a n y , 1 9 8 1 进筑, . < ) . < 》 . < ) . 硬忿卜 . ( > . < > . ( ) . 吃〔》 . ( 》 . 川二) . 《二》 . ( > . < ) . < ) . ( 》 . 才、 O 《、 . 吸 ) . < 二> . ` 尸》 . 袱刃 . 硬) . 犷介 . ( 》 . 一 ) . < ) . 《 ) . ( ~ 》 . < > . ( ) . < ) . 《 ) . < ) . ( 》 . 《〕 , . 丈二》 . < 》 . < 》 . ` 兮, . < ) . < 》 . (上接第 6 页 ) 参考文献 1 左禹 . 石油化工腐蚀与防护 , 1 9 8 8 , 1 9 : 1 2 2 M r o w e e S , W a l e e T , W e r b e r T . O x id M e t , 1 9 6 9 , ( 1 ) : 9 3 3 N a r i t a T , S m e l t z e r W W . O x i d M e t , 1 9 8 4 , 2 1 : 3 9 4 N a r i t a T , S m e l t z e r W W . O x i d M e t , 1 9 8 4 , 2 1 : 5 7 5 齐慧滨 , 朱日彰 , 何业东 . 北京科技大学学报 , 1 9 9 2 , ( 2) : 2 32 6 Z a l e n k o P D , S im k o v i e h G . O x id M e t , 1 9 7 4 , ( 8 ) : 3 4 3 7 M r o w e e S , W e d r y e h o w d k a W . O x i d M e t , 1 9 7 9 , 1 3 : 7 4 0 8 N a i r t a T , P r z y b y l s k i K , S m e l t z e r W W . O x id M e t , 1 9 8 4 , 2 2 : 1 8 1 9 S a x e n a D , P r a k a s k S , M e h t a M L , S a r a w s w a t I P . O x id M e t , 1 9 8 7 , 1 8 : 1 2 7 1 0 Q I H , Z h u R , H e Y . P r o e o f t h e 7 t h A P C C C , 1 9 9 1 , 1 : 1 1 8