热处理工艺对2205双相不锈钢耐蚀性能的影响

曾宪光;罗宏;吴灿

【摘 要】To Treat 2205 duplex stainless steel by heat treatment process at different temperature,then observe the microstructure of 2205 duplex stainless steel after corrosion in the liquid of 0.33 mol/L FeCl3+0.05 mol/L HCl by a metalloscope and a scanning electron microscope; Test the microhardness and the corrosion resistance of 2205 duplex stainless steel in boiled 65% HNO3 for 24 hrs as well as the pitting potential in 3.5%NaCl liquid at 25℃. The experimental results indicated that σ phase precipitation appeared in 2205 duplex stainless steel heated at 750～900℃ for 4hrs, and the microhardness was increased. At the same time the pitting potential decreased and the corrosion rate increased with the heat treatment temperature rising.%对2205双相不锈钢采用不同温度进行热处理,然后用光学显微镜和电子扫描电镜观察其在0.33 mol/L FeCl3+0.05 mol/L HCl溶液中腐蚀后的形貌;测试其显微硬度的变化、在沸腾的65%的溶液中浸蚀24 h的腐蚀速率和在25℃的3.5%NaCl溶液中的点蚀电位.研究表明:2205双相不锈钢在750～900℃保温4 h有σ相析出,材料的显微硬度增大.同时随着热处理温度的升高,2205双相不锈钢的点蚀电位降低,腐蚀速率增大.

【期刊名称】《大型铸锻件》

【年(卷),期】2009(000)004

【总页数】4页(P12-15)

【关键词】双相不锈钢;耐蚀性;热处理

【作 者】曾宪光;罗宏;吴灿

【作者单位】四川理工学院材料与化学工程学院,四川3000;四川理工学院材料与化学工程学院,四川3000;材料腐蚀与防护四川省高校重点实验室,四川3000;四川理工学院材料与化学工程学院,四川3000

【正文语种】中 文

【中图分类】TG172

2205双相不锈钢(相当于我国的00Cr22Ni5Mo3N钢)具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部抗应力腐蚀能力，特别是在抗氯化物导致的应力腐蚀开裂方面具有绝对的优势[1～5]。

σ相是双相不锈钢中危害最大的一种析出相，Mo的存在扩大了σ相析出的温度范围并缩短了其形成时间，使其在数分钟内即可析出。σ相是一种含高Cr、Mo的Fe-Cr(-Mo)金属间化合物脆性相[6]，它出现的温度范围为600～900℃，在奥氏体和铁素体晶界形核，首先会沿铁素体中析出，大大的破坏钢的塑性并严重影响不锈钢的耐蚀性能和冲击韧性[7]。由于2205双相不锈钢的应用日益增多，对σ相的研究也更有必要，特别是要研究热加工工艺对σ析出相的影响。

1 试验

1.1 试验材料及方法

1.1.1 试验材料及热处理工艺

实验材料为2205双相不锈钢，试样尺寸为25 mm×50 mm×40 mm，其化学成分(质量分数，%)为：C：0.022、Cr：22.6、Ni：5、Si：0.001、Mn：1.48、P≤0.02、S≤0.001。热处理工艺为：在SX-4-10型箱式电阻炉中分别加热到600℃、650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃，保温4 h后空冷到室温。试样经200#、320#、400#、600#、800#金相砂纸磨光后采用1 μm的Al2O3抛光。

1.1.2 微观组织观察

将试样在0.33 mol/L FeCl3+0.05 mol/L HCl溶液中浸蚀，采用光学显微镜(OM)、电子扫描电镜(SEM)观察分析材料的腐蚀情况。

1.1.3 显微硬度测试

经不同温度进行热处理后，采用HV-1000型显微硬度计测量表面显微硬度，载荷为2 N，加载时间为20 s。

1.1.4 失重试验

将2205双相不锈钢浸入65%的溶液中。安装回流冷凝器以防挥发，加热至沸腾，实验时间24 h。清洗，并用电子天平称量(测量精度为0.1 mg)，计算腐蚀速率。

1.1.5 电化学测试

用LK2005电化学综合测试，系统参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂丝，介质采用25℃的3.5%NaCl溶液，扫描速度为20mV/min。采用循环伏安法来测量试样在各种热处理状态下的击穿电位和保护电位，分析热处理对材料耐孔蚀性能的影响。

2 试验结果与分析

2.1 微观组织观察

图1(a)～图1(g)为经过不同温度的热处理后在0.33 mol/L FeCl3+0.5 mol/L HCl溶液中浸蚀后的金相组织，图1(h)为供货态试样。随着温度的升高，2205双相不锈钢的微观组织发生明显变化。在600℃、650℃、700℃进行热处理，2205双相不锈钢金相图中铁素体成黑色条状分布，当热处理温度上升到750℃时，可看到黑色的铁素体变成锯齿形，并在铁素体中有其它相析出，即有σ相析出。正因为有σ相的析出，所以随着热处理温度的升高，2205双相不锈钢的耐腐蚀能力下降。当热处理温度上升到800℃时，可看到有圆形的再结晶组织生成，在850℃和900℃时最为明显。从图2(b)可以看出，原本灰黑色连续的α相变得断断续续，晶界和内部的颜色也大部分变成了黑色，显示出σ相的析出量由少变多，由晶界发展到α相内部。没有经过热处理的试样不存在σ相，见图1(h)。热处理温度为600℃、650℃、700℃的钢材已经开始析出了σ相，这个温度区间析出的

σ相含量较少。而当加热温度为750℃、800℃、850℃、900℃时，钢材中的σ相已经大量析出，是σ相大量析出的温度敏感区间。

避免在600～900℃温度范围内进行热加工，特别是长时间加热，是防止σ相析出最有效的措施。如果必须要在敏感温度范围内进行热加工，则加工后应进行固溶处理，消除已产生的σ相。如果固溶处理受到工艺条件的而不能进行，则尽量采取热加工后快冷等措施减少σ相的析出量。Henrik Sieurin等[9]建立了σ相在等温时效和连续冷却中的形核与长大过程的模型，这个模型可以较好的预测σ相的析出，并在试验中得到验证。为了避免出现1%的σ相，固溶处理的冷却速度必须大于0.23 K/s，在865℃进行时效，时间不能超过134 s。T.H. CHEN和J.R. Yang[10]研究了2205双相不锈钢焊接热影响区的显微组织特征，当试样在700℃加热后，观察到有大量的Cr2N在α/γ形成。J.W.Elmer等[11]用同步加速X衍射原位观察了2205双相不锈钢再加热和冷却过程中奥氏体、铁素体和σ相的转变以及σ相在加热过程中的形成位置。当σ相以25℃/s的速度加热到985±2.8℃时就会溶解，σ相在850℃的重新形成温度将比在1 000℃溶解后更低。

2.2 显微硬度测定

经不同温度热处理后，2205双相不锈钢的显微硬度检验情况见图3所示。显微硬度主要取决于材料组织再结晶的完全程度和σ相析出的多少。随着热处理温度升高，组织的再结晶的完全程度提高，应力消除充分，晶粒有所长大，显微硬度降低；但随着σ相的大量析出，显微硬度又有所提高。所以，实际显微硬度就是二者叠加的结果。硬度上升的同时使钢的韧性和塑性降低，尤其值得注意的是，少量σ相的析出不会明显提高硬度，但会使冲击韧性显著下降。仅约5%的σ相就可使25Cr27Ni23Mo钢的冲击值由250 J/cm2

下降到(20～30)J/cm2。双相不锈钢焊缝中σ相的析出对冲击韧性的恶化作用更大[12，13]。因此，要保证2205双相不锈钢的力学性能必须通过固溶处理等热处理方法消除σ相。

2.3 失重试验

经不同温度热处理后的2205双相不锈钢，在65%的溶液中浸泡24 h，其腐蚀速率如图4所示。随着热处理温度的不断提高，2205双相不锈钢的腐蚀速率变大。当温度从700℃上升到750℃的时候，腐蚀速率突然增大，在800℃时达到最大值。这主要是由于有害相如σ、χ相的析出，极大的降低了耐蚀性能。N.Lopez等[15]研究了σ相对2205双相不锈钢的力学性能和耐蚀性能的影响后指出：2205双相不锈钢在625～900℃热处理会析出σ相，严重影响钢材的耐晶间腐蚀、耐应力腐蚀性能等。

图1 经不同温度热处理后2205双相不锈钢的微观组织Figure 1 2205 duplex stainless steel microstructures of heat treatment at different temperature

图2 经不同温度热处理后2205双相不锈钢的SEM图Figure 2 2205 duplex stainless steel microstructures of heat treatment at different temperature by SEM

图3 经不同温度热处理后2205双相不锈钢的显微硬度Figure 3 Microhardness of 2205 duplex stainless steel of heat treatment at different temperature

图4 经不同热处理后2205双相不锈钢的腐蚀速率Figure 4 The corrosion rate of 2205 duplex stainless steel of heat treatment at different temperature

2.4 电化学测试

经不同温度热处理后2205双相不锈钢在25℃的3.5%NaCl溶液中的点蚀电位见表1。

表1 经不同温度热处理后2205双相不锈钢的点蚀电位Table 1 Pitting potential of 2205 duplex stainless steel of heat treatment at different temperature温度/℃600650700750800850900点蚀电位/mV0.10-1.10-1.60-1.70-1.70-1.80-1.80

由表1可知，随着热处理温度的升高，击穿电位越来越低，耐蚀能力显著下降。主要原因是由于热处理温度的升高，σ相析出并逐渐增多。σ相是一种有害相，会大大降低金属的耐腐蚀能力。

3 结论

(1)2205双相不锈钢在750℃到900℃保温4 h后有σ相析出；

(2)σ相的析出提高了2205双相不锈钢的显微硬度；

(3)随着热处理温度的升高，2205双相不锈钢在65%的溶液中的腐蚀速率增大；

(4)随着热处理温度的升高，2205双相不锈钢在25℃的3.5%NaCl溶液中的击穿电位降低，即耐孔蚀能力下降。

参考文献

【相关文献】

[1] 吴玖.双相不锈钢[M].北京：冶金工业出版社，1999，459-493.

[2] Blumfield D. [J].Metal Construction.1981.5：269-273.

[3] 唐逐泳，刘秀瀛，康飞宇，等. [J].机械工程材料，(6)：75-78.

[4] 施瑞鹤，黄良余，等. [J].机械工程材料，6 (22)：3-6.

[5] 马毓华. [J].甘肃科技，2004，10(20)：10-12.

[6] 侯瑞鹏. [J].山西冶金，2004，(3)：95-99.

[7] K. Ravindranath, S.N.Malhotra. [J]. Corrosion Science, 1995，(37)：121-132.

[8] 陈嘉砚，杨卓越，杨武，等. [J].钢铁研究学报，8(18)：8-12.

[9] Henrik Sieurin, etc. [J].Materials Science and Engineering.A444(2007)：271-276.

[10] T.H. CHEN and J.R. Yang. [J]. Materials Science and Engineering, A338(2002)：166-2181.

[11] J.W.Elmer, T.A.Palmer,E.D.Specht.[J].Materials Science and Engineering, A xxx(2007)：xxx-xxx.

[12] Ramirez A J, Lippold J C, Brandi S D. [J]. Metallurgical Materials Transactions, 2003，34(8)：79-82.

[13] Yutaka S S, Kokawa H. [J ] . Scripta Metallurgica et Materialia, 1999, 40 (6)：6-9.

[14] N.Lopez，M.Cid，M. Puiggali. [J]. Corrosion Science, 1999，41：1615-1631.