σ相对2205双相不锈钢选择性腐蚀影响的研究.doc

σ 相对 2205 双相不锈钢选择性腐蚀影响的研究 吕迎玺 山西省机电设计研究院山西省机械产品质量监督检验站 摘 要： 采用金相显微镜、扫描电子显微镜、电化学扫描极化曲线和电化学阻抗图谱对经 850℃时效的 2205 双相不锈钢的显微组织、耐蚀性和表面腐蚀形貌进行了研究结果表明:微量 σ 相的析出对耐蚀性影响不明显;但随着 σ 相的析出, 表面难以形成稳定的钝化膜, 耐蚀性明显下降, 且点蚀位置优先出现于 σ 相与基体相界面, 并向铁素体相延伸σ 相的析出还使得电化学腐蚀后的表面腐蚀形貌发生了变化, 随着 σ 相析出量逐渐增多, 表面腐蚀形貌由半球形状变为口小腔大、内部破坏严重的形貌, 后逐渐转变为宽浅状的腐蚀形貌关键词： 双相不锈钢; 耐蚀性; σ 相; 微观结构; 作者简介：吕迎玺, 男, 1965 年生, 高级工程师 E-mail:LYX6746@, 研究方向为金属材料收稿日期：2017-04-05基金：2015 年中央引导地方科技基础条件专项资金 (0632-1541HW4L1777) Effect of σ Phase on Selective Corrosion of 2205 Duplex Stainless SteelLV Yingxi Shanxi Institute for Quality Supervision and Inspection of Machinery Products, Mechanical and Electrical Design and Research Institute of Shanxi Province; Abstract： The microstructure, corrosion resistance properties and corrosion morphology of the 2205 duplex stainless steel aged at 850 ℃ for different time were characterized by means of optical microscope and scanning electron microscope, as well as potentiodynamic polarization measurement and electrochemical impedance spectroscopy. The result showed that: the trace amount of σ phase-precipitates is not obvious harmful to the corrosion resistance of the steel; however, with the increasing σ phase precipitation, it is difficult to form stable passivation film on the steel surface, thus its corrosion resistance decreases obviously; the corrosion pits firstly appeared at the interface of σ phase and matrix, and then expanded to ferrite phase. Besides that, σ phase could also change the electrochemical corrosion morphology characteristics, i.e. the morphology of pits changed from hemispherical pit to seriously destroyed pit with small mouth but large cavity, then transformed into wide-and shallow-bowl like pit.Keyword： duplex stainless steel; corrosion resistance; σ phase; microstructure; Received： 2017-04-05材料的耐蚀性研究已有近百年的历史, 其中金属腐蚀给世界经济造成了难以估量的损失, 一直是人类社会进步面临的巨大挑战。

双相不锈钢是金属材料中不锈钢的重要分支, 结合了比例相近的铁素体和奥氏体两相优良的力学性能和耐蚀性, 在石油、天然气、造纸化工、水利能源、海洋船舶、军工核电等各个行业均有广泛应用[1,2]其中 2205 双相不锈钢的应用最为广泛[3-8]由于 2205 双相不锈钢所含合金元素多且在两相分布不均匀, 当温度处于300~1000℃[9]范围内极易产生 σ 相[10,11]、χ 相[12]、碳化物、氮化物等析出相[13], σ 相析出的孕育期极短, 如 Chen 等[14]发现 900℃时效 300 s后 σ 相开始出现, Elmer 等[15]研究了其 850℃σ 相的时效析出行为, 仅需 81 s 便开始析出, 865℃时效 134 s 即有 σ 相的析出[16]σ 相的析出, 破坏了原始两相的平衡, 对耐蚀性影响较大, 容易发生选择性腐蚀[17,18], 弱相的腐蚀使得材料整体发生失效[19,20]由于腐蚀初期面积小, 且又发生于材料表面以及次表面位置, 往往难以预料, 往往引发突发性事故在材料实际生产、热加工、焊接或长期服役于高温环境时, 2205 双相不锈钢难以避免经历析出相敏感温度, 并伴随各类析出相形成。

尽管已有大量文献[15,16,21,22]研究了 σ 析出相等对 2205 双相不锈钢耐腐蚀性的影响, 但已有研究在腐蚀表面形貌、点蚀萌生位置以及各相腐蚀的规律性等方面尚缺乏较为系统的分析本文在前人工作的基础上, 选取时效不同时间 2205 双相不锈钢表面选择性腐蚀、腐蚀形貌为研究内容, 以其为实际生产中焊接工艺制定、热加工工艺优化、组织成分预测、耐腐蚀性能评价等提供指导1 实验方法实验材料为太原钢铁集团生产的 2205 双相不锈钢热轧钢板, 主要化学成分 (质量分数, %) 为:C0.02, Si 0.65, Mn 1.37, P 0.014, S 0.0008, Cr 22.36, Ni 5.21, Mo 3.18, N 0.15, Fe 余量2205 双相不锈钢试样尺寸为 10 mm×10 mm×4 mm 和 14 mm×14 mm×4 mm, 分别用于观察显微组织和进行电化学腐蚀实验首先对原始试样进行固溶处理以提高组织均匀性, 具体采用 KSL-1200X 箱式炉在 1050℃固溶处理 1 h, 随后在850℃分别时效处理 15 min、1 h、3 h、4 h, 以获得不同含量 σ 析出相的组织结构。

采用 0.3 g K2S2O5+20 m L HCl+80 m L H2O 腐蚀试剂对试样表面进行金相腐蚀, 使用 Axio Scope A1 型蔡司光学显微镜以及 Vega 3 XMV 型扫描电子显微镜 (SEM) 对试样进行显微组织分析, 配合能谱分析仪进行成分分析使用武汉科思特 CS350 型电化学工作站及配套的 Corr Test 测试软件对实验数据进行采集平板腐蚀电解池作为腐蚀实验装置, 工作面积为 1 cm选用 3.5% (质量分数) Na Cl 腐蚀溶液首先进行约 30 min 开路电位测试, 待开路电位稳定后, 分别进行点蚀电位和电化学阻抗图谱测试自开路电位-200 m V 以0.5 m V/s 的速率开始扫描直至点蚀电位, 以及使用幅值为 10 m V 的正弦波作为扰动信号, 测试频率范围为 10~10Hz, 从高频向低频扫描, 测得的数据使用Zview 软件分析, 并选择合适的等效电路进行拟合每组实验做三组平行实验用无水乙醇以及丙酮擦净试样表面, 观察腐蚀形貌并利用 EDAX 型 EDS 能谱仪对腐蚀之后的残余相进行成分分析为更好观测试样表面腐蚀形貌特征, 将试样从靠近中心的位置纵向剖开, 用砂纸轻磨掉 3 mm 以上, 避开线切割对腐蚀坑的影响, 对腐蚀坑的剖面形貌观察分析。

2 结果与讨论2.1 显微组织热轧 2205 双相不锈钢在 1050℃固溶处理 1 h 水淬后所得固溶态的光学显微组织如图 1 所示, 颜色较亮呈岛状或链状的奥氏体 (γ) 镶嵌在较暗的铁素体 (α) 基体上, 且未看到任何析出相, 带状结构是由于热轧变形导致的, 其伸长方向与轧制方向相同, 统计相比例得知, 奥氏体相约占 48%, 铁素体相占 52%各相 EDS 成分见表 1固溶态 2205 双相不锈钢在 850℃分别时效 15 min, 1 h, 3 h 和 4 h 后的显微组织如图 2 所示时效 15 min, 少量呈链状或条状的析出相断续分布在铁素体晶界, 同时在铁素体与奥氏体相界也观察到少量析出相, 如图 2a 箭头所示随着时效时间逐渐延长, 铁素体内的析出相逐渐长大并连接成块状或网状, 晶粒逐渐变粗, 并向铁素体内部发展, 同时铁素体与奥氏体相界处的析出相也明显长大时效时间延长至 4 h 如图 2d 所示, 铁素体含量明显减少, 奥氏体与析出相含量则显著增多, 析出相大多呈块状分布在铁素体与奥氏体相界处或者奥氏体相内部图 1 固溶态 2205 双相不锈钢试样的光学显微组织 Fig.1 Micrograph of the solution-treated sample of 2205duplex stainless steel 下载原图表 1 固溶态 2205 双相不锈钢中各相的化学成分 Table 1 Chemical composition of phases in 2205 duplex stainless steel after solution treatment 下载原表 2205 双相不锈钢经 3 和 4 h 时效后的扫描电镜背散射电子图像如图 3 所示, EDS 测试了 4 h 时效后试样中各相具体成分, 见表 2。

σ 相富含 Cr、Mo 元素, 由于平均原子序数大的相在背散射图像下会显示出更亮的颜色, 因此确定大量浅白色的析出相为 σ 相, 且呈块状分布在铁素体与奥氏体相界σ 相由铁素体共析转变而来[22], 即铁素体相分解成 σ 和 γ 2相, α→σ+γ 2, 原来铁素体位置由二次奥氏体相和 σ 相占据2.2 电化学腐蚀固溶态试样、850℃分别时效 15 min、1 h、3 h、4 h 试样在 3.5%Na Cl 溶液中进行电化学腐蚀测试, 极化曲线和电化学阻抗图谱见图 4, 主要极化曲线特征值见表 3极化曲线中 Ecorr和 Icorr值相近, 没有明显差别, 说明 5 个试样在溶液中腐蚀倾向相近固溶态试样钝化区最宽且平稳, E pit达 1005 m V随着时效时间逐渐延长, 点蚀电位 Epit值逐渐下降时效 15 min 试样的点蚀电位稍有下降, 且钝化区末端出现一个电流起伏峰;随时效时间进一步延长, σ 相逐渐析出, 钝化区逐渐缩短, E pit明显下降, 时效 4 h 试样的 Epit只有 617 m V, 钝化区电流密度也较固溶试样有所升高, 钝化区末端不再出现类似短时间时效试样的再钝化现象。

一般认为, 电化学阻抗谱中, 容抗弧半径越大, 材料的耐腐性能越好对比来看, 固溶态试样容抗弧半径最大, 表面形成了较稳定的钝化膜, 表明其阻抗值最大, 有良好的耐蚀性能和钝化性能时效 15 min, 容抗弧半径略微变小, 而随着时效时间延长, 时效 3 h、4 h 试样的容抗半径明显减小, 表面钝化膜变差, 耐蚀性明显下降总体来看, 2205 双相不锈钢经 850℃。