羅宏^1，2，李孟發(fā)¹，李新躍^1，2，鄭興文²，喻蘭英^1，2

　　1四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院,自貢,643000

　　2材料腐蝕與防護(hù)四川省高校重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,自貢,643000)

　　Email:luohong28@163.com, 513920404@qq.com, lixinyueqw@yahoo.com.cn, yyj1557@163.com

　　作者簡(jiǎn)歷

　　羅宏，男，1970年2月8日出生，教授，碩士研究生導(dǎo)師，四川理工學(xué)院材料與化學(xué)工程學(xué)院材料系主任。1992年畢業(yè)于浙江大學(xué)金屬材料專業(yè)本科，2007年畢業(yè)于四川理工學(xué)院材料腐蝕與防護(hù)專業(yè)碩士研究生。主要研究方向?yàn)榻饘贌崽幚砉に嚭透g與防護(hù)，對(duì) 2205雙相不銹鋼及其復(fù)合板的耐蝕性和熱處理工藝有深入研究。

　　現(xiàn)為材料腐蝕與防護(hù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室學(xué)術(shù)委員會(huì)委員，全國(guó)金相與顯微分析學(xué)會(huì)理事，高級(jí)職業(yè)金相師，全國(guó)熱處理學(xué)會(huì)會(huì)員，《熱加工工藝》(中文核心期刊)特約編委。在國(guó)內(nèi)外發(fā)表關(guān)于金屬材料的熱處理、腐蝕與防護(hù)、理化檢驗(yàn)等方面論文30多篇，其中SCI、Ei收錄論文10篇，獲得發(fā)明專利2項(xiàng)。主持《生物質(zhì)燃料秸稈鍋爐過熱器高溫耐蝕金屬材料研究》、《鈦材在真空制鹽工藝中的應(yīng)用及其腐蝕行為研究》、《焊絲盤條拉拔后退火工藝研究》等省部級(jí)、地廳級(jí)科研課題12項(xiàng)，作為主研參與國(guó)家中小型企業(yè)創(chuàng)新基金項(xiàng)目。
 

　　摘 要：為研究2205雙相不銹鋼中σ相的析出規(guī)律和機(jī)理及其對(duì)耐孔蝕性能的影響。對(duì)經(jīng)固溶處理后的試樣在650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃分別保溫0.5h、1h、2h、5h進(jìn)行熱處理，另在850℃保溫134s、10h、12h進(jìn)行熱處理，均采用水冷。用金相顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)觀查了熱處理后試樣的微觀組織和表面形貌；用X射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相鑒定；用電子背散射掃描(EDS)法檢測(cè)了σ相析出周圍主要元素含量；用動(dòng)電位掃描法測(cè)定了經(jīng)不同熱處理的試樣在3.5%NaCl、30 ± 0.5℃的溶液中的陽(yáng)極極化孔蝕環(huán)掃描曲線，以評(píng)定σ相析出對(duì)材料耐孔蝕性能的影響。結(jié)果表明：σ相最初在鐵素體與奧氏體的界面處形核，隨后向富含σ相形成元素的鐵素體內(nèi)部長(zhǎng)大，其長(zhǎng)大機(jī)理為α相發(fā)生共析轉(zhuǎn)變，生成σ相和新生奧氏體相；850℃保溫134s即可看到有少量的σ相析出，隨著溫度的升高和保溫時(shí)間的增加，σ相增多，850℃保溫10h時(shí)達(dá)到最大值；σ相的析出越多，孔蝕環(huán)面積的越大，2205雙相不銹鋼的孔蝕傾向增大，在850℃保溫10h孔蝕環(huán)面積最大，孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值達(dá)到912mV，耐孔蝕能力最差。

　　關(guān)鍵詞：2205雙相不銹鋼；σ相；孔蝕

1 引言

　　2205雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼相的優(yōu)點(diǎn)。奧氏體的存在，降低了高鉻鐵素體鋼的脆性，防止了晶粒長(zhǎng)大傾向，提高了鐵素體鋼的韌性和可焊性;鐵素體的存在，使其具有比奧氏體不銹鋼更高的強(qiáng)度和更優(yōu)良的耐蝕性能，因此，2205雙相不銹鋼正越來越多地用于化工、化學(xué)、石油和造紙等工業(yè)領(lǐng)域。但是，該鋼種在600-1000 ℃溫度范圍內(nèi)易于形成金屬間相，如σ 相、χ相、R 相、以及各種碳氮化物等，這些相的析出會(huì)顯著降低雙相不銹鋼的耐蝕性、力學(xué)性能以及焊接性能，其中σ 相是危害最大的一種析出相。σ相是一種含高Cr、Mo的Fe-Cr(-Mo)金屬間化合物，屬于四方結(jié)構(gòu)，它硬且脆，可明顯降低鋼的韌性、塑性;同時(shí)因其富鉻，故在其周圍往往出現(xiàn)貧鉻區(qū)或由于它本身的溶解而使鋼的耐腐蝕性能降低^[1-5]。因此對(duì)2205雙相不銹鋼中σ相的研究顯得尤為重要，本文主要研究了2205雙相不銹鋼中σ相的析出規(guī)律和機(jī)理及其對(duì)耐孔蝕性能的影響。

2 實(shí)驗(yàn)

　　2.1 試樣及熱處理工藝

　　實(shí)驗(yàn)材料為2205雙相不銹鋼，試樣尺寸為7.5mm×7.5mm×2mm，其化學(xué)成分(mass%)為：C 0.022%，Cr22.6%， Ni5%，Si0.001%，Mn1.48%，P≤0.02%，S≤0.001%，先進(jìn)行固溶處理，固溶處理工藝為1070℃，保溫40min，水冷。對(duì)經(jīng)固溶處理后的試樣在650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃分別在SX-4-10型箱式電阻爐中保溫0.5h、1h、2h、5h進(jìn)行熱處理，另在850℃保溫134s、10h、12h進(jìn)行熱處理，均采用水冷。試樣經(jīng)200#、320#、400#、600#、800#金相砂紙磨光后采用1μm的Al₂O₃拋光。

　　2.2微觀組織觀察

　　將試樣用Murakami浸蝕劑浸蝕在90℃浸蝕60min，采用NIKON EPIPHOT200光學(xué)顯微鏡(OM)、電子掃描電鏡(SEM)觀察2205雙相不銹鋼中σ相的形貌，分析析出規(guī)律。

　　2.3 物相鑒定

　　用DX-2600型X射線衍射儀(XRD)對(duì)850℃保溫12h的試樣進(jìn)行物相鑒定，以確定相組成;采用EDS法檢測(cè)σ相析出周圍主要元素含量。

　　2.4電化學(xué)實(shí)驗(yàn)

　　采用標(biāo)準(zhǔn)的三電極體系，2205雙相不銹鋼試樣為工作電極，工作面積為7.5mm × 7.5mm，輔助電極為金屬Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，采用2273PARSTAT電化學(xué)綜合測(cè)試系統(tǒng)，掃描速度為20 mV /min用動(dòng)電位掃描法，測(cè)定了經(jīng)不同熱處理的試樣在3.5%NaCl、30 ± 0.5℃的溶液中的陽(yáng)極極化孔蝕環(huán)掃描曲線，孔蝕環(huán)的面積越大，孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值越大，不銹鋼的孔蝕抗力越低。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

　　3.1表面形貌和顯微結(jié)構(gòu)分析

　　圖1為經(jīng)過固溶處理的2205雙相銹鋼的金相顯微組織，圖2為經(jīng)不同溫度時(shí)效處理后2205雙相不銹鋼的SEM圖。可以看出，固溶處理為鐵素體α與奧氏體γ組織，大約各占約一半，一般認(rèn)為具有這種相比例的2205雙相不銹鋼具有較好的綜合性能。在圖2中原樣的SEM圖上也可以看到，除α和γ兩相組織外，并不包含其他相，α/γ界面處并未發(fā)現(xiàn)有黑色相析出。在650℃加熱5h的試樣，α與γ相界面處明顯出現(xiàn)了黑色的析出相，原本平滑的晶界開始變成鋸齒狀，這是σ相析出早期的重要特征。σ相最初沿著兩相相界面呈一條黑線分布。750℃時(shí)，α和γ兩相界面變得模糊，呈珊瑚狀，說明σ相已經(jīng)開始向α相內(nèi)部生長(zhǎng)。850℃時(shí)σ相不在呈一條線分布，在鐵素體內(nèi)部明顯存在黑色相，這表明已有部分α相轉(zhuǎn)變成了σ相，950℃保溫5h后，σ相減少。隨著熱處理溫度的升高，σ相析出量增大，在850℃時(shí)達(dá)到峰值，這說明850℃是σ相析出極為敏感的溫度。這主要是因?yàn)楹辖鹪卦阼F素體內(nèi)的擴(kuò)散速率較大，同時(shí)在850℃保溫時(shí)使鐵素體穩(wěn)定元素Cr和Mo快速地富集到了σ相中，同時(shí)奧氏體形成元素Ni向鐵素體中擴(kuò)散，導(dǎo)致鐵素體中Cr元素富集，鐵素體變得極不穩(wěn)定，很快轉(zhuǎn)變成一種新的相，即σ相。但是，在600 -1000 ℃這樣的溫度范圍內(nèi)，元素的遷移速度和遷移量是很有限的，所以σ相只是少量的析出，超過1000℃時(shí)元素會(huì)重新固溶到鐵素體和奧氏體中，σ相溶解。

圖1不同溫度時(shí)效處理后2205雙相不銹鋼的顯微組織　
　

圖2 不同溫度時(shí)效處理后2205雙相不銹鋼的SEM圖

　　3.2 σ相析出機(jī)理探討

　　從不同溫度時(shí)效處理后2205雙相不銹鋼的掃描電鏡觀測(cè)圖中可以清楚地看到，同樣是在Murakami腐蝕劑中浸蝕，原樣的腐蝕程度遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒有其他試樣的嚴(yán)重。原樣的SEM圖顯示，α相和γ相都呈連續(xù)的整塊分布，甚至可以看到試樣打磨留下的劃痕，α相與γ相兩相界面處也十分光滑，并沒有發(fā)現(xiàn)有其他相的存在。而在850℃僅僅保溫134s，兩相界面處部分變得模糊，這說明了此時(shí)已經(jīng)有極其少量的σ相生成。750℃保溫5h的SEM圖顯示，兩相界面處已經(jīng)發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，同時(shí)在α相內(nèi)部有微孔出現(xiàn)，這說明了α相內(nèi)部已經(jīng)發(fā)生點(diǎn)腐蝕。850℃保溫12h時(shí)，α相已經(jīng)變得斷斷續(xù)續(xù)，這主要是因?yàn)?alpha;相的析出導(dǎo)致了2205雙相不銹鋼耐蝕性降低，當(dāng)隨著保溫時(shí)間的加長(zhǎng)α相內(nèi)部σ相急劇增加時(shí)，其周圍因貧鉻貧鉬而發(fā)生腐蝕，即α相內(nèi)部也發(fā)生嚴(yán)重腐蝕，從而導(dǎo)致α相斷斷續(xù)續(xù)分布。但值得注意的是，α相內(nèi)部不僅僅是因?yàn)?sigma;相的析出發(fā)生了嚴(yán)重腐蝕而導(dǎo)致了α相斷斷續(xù)續(xù)分布，而同時(shí)生成了一種與γ相腐蝕性相當(dāng)?shù)南啵瑥亩拍軐⒃境蔬B續(xù)整塊狀分布的α相分割開來。因?yàn)樾律上嘣诮鹣囡@微鏡和掃電子顯微鏡下觀察與γ相并沒有太大的差異，同時(shí)因其合金元素的含量，不可能與母材中γ相完全一樣，所以姑且把它命名為新生奧氏體，即γ' 。因此σ相在鐵素體內(nèi)部形成的機(jī)理可以解釋為α的共析轉(zhuǎn)變，即α→σ+γ'[ ]，其中γ'結(jié)構(gòu)和具體元素含量還有待研究。#p#副標(biāo)題#e#

　　3.3 σ物相分析

　　表1為EDS對(duì)組成相的化學(xué)成分分析，可以看出σ相中Cr、Mo元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為31.31%、6.24%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了基體中Cr、Mo的含量。說明σ相本身就是一種富Cr富Mo相，它的析出必然會(huì)造成周圍組織貧鉻貧鉬，從而嚴(yán)重影響基體原有的耐孔蝕性能。圖3為試樣經(jīng)850℃加熱2 h熱處理后的XRD 分析圖，可見組成相為鐵素體α、奧氏體γ和σ相。

　　表1 2205雙相不銹鋼850 ℃時(shí)效12h各相化學(xué)成分(wt.%)

　　圖3 2205 雙相不銹鋼850℃熱處理12h析出相的XRD 分析

　　3.4 電化學(xué)分析結(jié)果討論

　　2205雙相不銹鋼在3.5%NaCl、30 ± 0.5℃的溶液中測(cè)定的陽(yáng)極極化孔蝕環(huán)掃描曲線和孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值分別見圖4和表2。可以看出，原樣得孔蝕環(huán)面積和孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值最小，耐孔蝕能力最好，隨著溫度的升高，σ相的析出量增大，使得孔蝕環(huán)面積增大，孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值增大，抗孔蝕能力降低。其中850℃、保溫10h處理后試樣孔蝕環(huán)面積最大，孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值達(dá)到912mV，耐孔蝕能力最差。

　　圖4 2205DSS鋼試樣經(jīng)不同溫度時(shí)效處理后的陽(yáng)極極化孔蝕環(huán)掃描曲線

表2 2205DSS鋼試樣經(jīng)不同熱處理工藝后的腐蝕電位(Ecorr)、孔蝕電位(Eb)、孔蝕回歸電位(Erp)(3.5%NaCl, 30±0.5℃)　

4 結(jié)論

　　(1) 650~950℃保溫時(shí)，隨著溫度的升高，σ相含量增加，850℃時(shí)達(dá)到峰值，加熱到950℃，σ析出相減少。

　　(2) 850℃保溫時(shí)，隨著保溫時(shí)間的增加，σ相析出增多，10h左右達(dá)到飽和。

　　(3) σ相最初在鐵素體與奧氏體的界面處形核，隨后向富含σ相形成元素的鐵素體內(nèi)部長(zhǎng)大，其長(zhǎng)大機(jī)理為α相的共析轉(zhuǎn)變，即α→σ + γ’。

　　(4) σ相的析出降低了2205雙相不銹鋼的耐孔蝕能力，σ相的析出量越大，鋼材孔蝕傾向越大。850℃加熱保溫10h處理后，σ相析出最多，2205雙相不銹鋼的耐孔蝕性能最低。