固溶溫度對2205雙相不銹鋼管組織和點蝕性能的影響

  浙江至德鋼業(yè)有限公司對2205雙相不銹鋼管進行了不同溫度的固溶處理，采用光學顯微鏡和掃描電鏡分析了不同固溶狀態(tài)下的組織演變規(guī)律，通過三氯化鐵溶液浸泡法研究了固溶溫度對2205雙相不銹鋼管點蝕性能的影響。結果表明，950℃固溶處理后，組織中有σ相;經(jīng)1000～1100℃固溶處理后，由奧氏體和鐵素體兩相組成。隨固溶溫度升高，鐵素體含量逐漸增加，奧氏體晶粒度減小，孔蝕數(shù)量、孔蝕平均尺寸和腐蝕速率均呈下降趨勢。經(jīng)1100℃×20分鐘水冷固溶處理后，奧氏體和鐵素體含量約各占一半，組織均勻，表現(xiàn)出良好的耐點蝕性能。

 2205(00Cr22Ni5Mo3N)不銹鋼管屬于第二代雙相不銹鋼管，由于其綜合了鐵素體不銹鋼管和奧氏體不銹鋼管的優(yōu)點，因此具有較高的強度、韌性及優(yōu)良的焊接性能和耐腐蝕性能，已廣泛應用于各工業(yè)領域，諸如紙漿和造紙、油氣工業(yè)、化學加工工業(yè)、運輸業(yè)、制藥和食品工業(yè)以及建筑業(yè)等。在這些應用中，2205雙相不銹鋼被認為是具有成本效益的材料，填補了普通不銹鋼(如316L)和高合金奧氏體不銹鋼之間的空白。

 在化學成分固定的情況下，2205雙相不銹鋼管的兩相比例和組織形態(tài)取決于熱處理工藝。不同熱處理工藝會形成不同奧氏體和鐵素體相比例及σ相析出，使其耐腐蝕性能受到極大影響。固溶處理溫度可以控制鐵素體和奧氏體兩相比例及析出相的溶解，因此研究固溶處理溫度對2205不銹鋼管組織及點腐蝕性能有著相當重要的意義。為此，至德鋼業(yè)對2205雙相不銹鋼管進行了不同溫度的固溶處理，采用光學顯微鏡和掃描電鏡分析了不同固溶狀態(tài)下的組織演變規(guī)律，通過三氯化鐵溶液浸泡法研究了固溶溫度對2205雙相不銹鋼管點腐蝕性能的影響，確定了最佳固溶處理溫度。

一、試驗材料及方法

 試驗用材料為5.0mm厚的2205不銹鋼管，其主要化學成分如表所示。沿2205雙相不銹鋼管軋制方向取金相試樣和點腐蝕試樣，在箱式電阻爐中進行固溶處理，固溶處理溫度分別為950、1000、1050和1100℃，保溫時間設定為20分鐘，冷卻方式為水冷。將不同狀態(tài)的2205不銹鋼管金相試樣打磨、拋光、腐蝕后，在LEICADMI3000M金相顯微鏡上觀察顯微組織，并用顯微鏡自帶的金相分析軟件測量各相含量(面積分數(shù))。利用掃描電鏡的背散射電子原子序數(shù)成像技術，進行σ相的組織觀察。

 化學浸泡點蝕試樣經(jīng)打磨、清洗、除污和除油后干燥，用精度為0.01g的天平秤初始質量，試樣尺寸為50mm×25mm×4mm。化學浸泡點蝕試驗按GB/T17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗》中的“不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法”進行，試驗介質為6%三氯化鐵溶液，試驗溫度為50℃，浸泡24小時后清除腐蝕坑內的腐蝕產(chǎn)物，以清水沖洗試樣，乙醇去水、烘干，測量腐蝕失重，計算點腐蝕速率。對表面宏觀形貌的觀察采用Canon-IXUS115HS型照相機和SZX16體式顯微鏡。

二、試驗結果及分析

 1. 固溶溫度對組織形貌和相含量的影響

  a. 對σ相的影響

  σ相富含鉬元素，因此在背散射電子圖像中σ相的亮度明顯大于鐵素體和奧氏體相，呈現(xiàn)白色。圖為2205雙相不銹鋼管試樣經(jīng)過950℃和1000℃固溶處理后的背散射電子圖像。從圖可以看出，經(jīng)過950℃固溶處理后，組織由鐵素體、奧氏體和σ相組成。相當量的σ相沿γ/α晶界及α/α晶界析出，這是由于晶界位置利于σ相非均勻形核。經(jīng)過1000℃固溶處理后，組織中只有γ和α兩相存在，奧氏體呈長條狀或島狀與鐵素體相間分布，在兩相界面及鐵素體內部沒有發(fā)現(xiàn)σ相。

  b. 對組織的影響

  圖為2205雙相不銹鋼管在不同固溶溫度下，保溫20分鐘，水淬處理后的三維立體顯微組織。圖為經(jīng)過950℃固溶處理后的顯微組織，為不規(guī)則的兩相交織分布的帶狀組織，黑色基體為鐵素體，白色纖維狀奧氏體相分布在鐵素體基體上。經(jīng)過1000℃固溶處理后，組織中α、γ雙相還是交織分布的帶狀組織;經(jīng)過1050℃固溶處理后，奧氏體晶粒由長條狀轉變?yōu)橹窆?jié)狀。隨著固溶處理溫度的繼續(xù)升高，竹節(jié)狀的奧氏體晶粒發(fā)生再結晶，組織為比較規(guī)則的兩相相間分布的均勻組織，如圖所示。1100℃固溶處理后，奧氏體和鐵素體組織發(fā)生了明顯的長大，奧氏體的長寬比明顯減小，鐵素體含量明顯升高。

 不同固溶溫度下，2205不銹鋼管沿軋制方向奧氏體晶粒長度變化曲線如圖所示。從圖可以看出，隨著固溶溫度升高，奧氏體晶粒再結晶更完全，奧氏體晶粒長度不斷減小，950℃固溶處理后，奧氏體晶粒平均長度為154.092μm; 1100℃固溶處理后，奧氏體晶粒平均長度縮短為16.936μm。奧氏體不銹鋼在固溶處理過程中的形態(tài)變化分析如下:加熱到固溶溫度時，奧氏體與基體α-鐵素體連接界面處表面張力的不平衡將促使奧氏體沿界面局部溶解，直到表面張力達到平衡，其溶坑的壁凸向α-鐵素體。隨著固溶溫度升高，溶坑不斷加深。因此，經(jīng)950～1100℃固溶處理后，奧氏體晶粒由帶狀轉變?yōu)橹窆?jié)狀，最終轉變?yōu)榫植康那驙睢?/span>

 表為不同固溶處理溫度下2205不銹鋼管試樣中對應的鐵素體含量。從表可以看出，950℃固溶處理后，組織中存在σ相，含量約為5%。經(jīng)過1000℃固溶處理后，鐵素體含量明顯增加;1100℃固溶處理后，鐵素體含量最高為49.7%，奧氏體和鐵素體兩相比例約為1∶1，一般認為，這種比例的雙相不銹鋼具有優(yōu)良的綜合性能。在1000～1100℃固溶溫度區(qū)間，α相含量增長趨勢緩慢。根據(jù)68%Fe的Fe-Cr-Ni相圖也可以得出這樣的結論，如圖所示。根據(jù)Fe-Cr-Ni相圖可知，鐵素體相與(鐵素體+奧氏體)相的邊界及(鐵素體+奧氏體)相與奧氏體相的邊界都呈彎曲狀，在1000～1100℃固溶溫度區(qū)間，曲線相對比較平直，由杠桿定律計算可知，α相含量增長趨勢緩慢。

 2. 固溶溫度對點腐蝕性能的影響

 圖為經(jīng)過不同溫度固溶處理后試樣的腐蝕速率曲線。從曲線上可以看出，經(jīng)過950℃固溶處理后，2205不銹鋼管試樣腐蝕速率較快，為24.49g·m-2·h-1。在1000～1100℃固溶溫度區(qū)間，隨著固溶溫度升高，腐蝕速率依此減小，1100℃固溶處理后，腐蝕速率最低為2.47g·m-2·h-1。

 圖為經(jīng)過不同溫度固溶處理后，2205雙相不銹鋼管試樣點蝕宏觀形貌。從圖6可以看出，經(jīng)過950℃固溶處理后，試樣表面點蝕坑較多，腐蝕以局部腐蝕為主，在試樣表面不均勻分布。經(jīng)過1000℃固溶處理后，點蝕坑數(shù)量明顯減少，在試樣邊緣和機加工劃痕處分布較多;經(jīng)過1100℃固溶處理后，點蝕坑零星的分散在試樣表面，表現(xiàn)出較好的耐點腐蝕性能。

 圖為經(jīng)過不同溫度固溶處理后，2205雙相不銹鋼管試樣點蝕微觀形貌圖。從圖7可以看出，950℃固溶處理后，2205不銹鋼試樣表面出現(xiàn)大小不一的點蝕坑，蝕坑數(shù)量較多，蝕坑尺寸大，說明其耐蝕性較差;在1000～1100℃固溶溫度區(qū)間，隨著固溶溫度升高，蝕坑數(shù)量和尺寸逐漸減小，到1100℃固溶處理后，表面點蝕坑只有1個，尺寸較小。

 點蝕是雙相不銹鋼最有害的腐蝕形態(tài)之一，點蝕往往是應力腐蝕裂紋和腐蝕疲勞裂紋的起始部位。雙相不銹鋼的耐點蝕性能除了和化學成分有關外，跟兩相比例、組織的均勻性和析出相也有很大的關系。從上面的試驗結果可以看出，經(jīng)過950℃固溶處理后，試樣的耐點蝕性能最差，這與其組織中σ相存在有關。σ相中鉻和鉬含量高，鉻和鉬元素在σ相中富集必然形成周圍貧鉻和鉬的區(qū)域，使這些區(qū)域成為點蝕敏感點，從而使鋼的耐點蝕性能下降。經(jīng)過1000～1100℃固溶處理后，2205雙相不銹鋼管組織中σ相消除，耐點腐蝕性能大幅度提高，從孔蝕數(shù)量、孔蝕平均尺寸和腐蝕速率的試驗結果中都能得出這樣的結論。

 在1000～1100℃固溶溫度區(qū)間，隨固溶溫度升高，鋼的耐點腐蝕性能提高，主要從兩相比例、組織的均勻性兩個方面來分析原因。由文獻可知，雙相不銹鋼管點蝕時，首先是鐵素體發(fā)生腐蝕產(chǎn)生小的蝕孔，蝕孔逐漸發(fā)展包圍奧氏體，導致奧氏體脫落產(chǎn)生蝕坑。按照此理論，奧氏體越少其耐蝕性越差。但是，根據(jù)前面的試驗結果，在1000～1100℃固溶溫度區(qū)間，奧氏體含量在50.3%～53.9%之間變化不大，因此奧氏體含量高低并不是影響點腐蝕速率的主導因素。在1100℃固溶處理后，α和γ兩相含量比較接近，由于兩相電位差很小，電偶腐蝕效應不明顯，決定了兩種組織狀態(tài)都具有很好的耐點蝕性能。此外，固溶溫度升高，鉻和鉬元素的分配系數(shù)逐漸提高，對提高耐點腐蝕性能也是有益的。因此，經(jīng)1100℃×20分鐘水冷固溶處理后，奧氏體和鐵素體含量約各占一半，組織均勻，表現(xiàn)出良好的耐點蝕性能。

三、結論

 1. 經(jīng)過950℃固溶處理后，2205雙相不銹鋼管組織由鐵素體、奧氏體和σ相組成。經(jīng)過1000℃固溶處理后，組織中只有γ和α兩相存在，在兩相界面及鐵素體內部沒有發(fā)現(xiàn)σ相。

 2. 隨著固溶溫度升高，軋制態(tài)奧氏體晶粒度不斷減小。950℃固溶處理后，奧氏體晶粒平均長度為154.092μm，1100℃固溶處理后，奧氏體晶粒平均長度縮短為16.936μm。

 3. 2205雙相不銹鋼管經(jīng)950～1100℃固溶處理后，孔蝕數(shù)量、孔蝕平均尺寸和腐蝕速率隨固溶溫度均呈下降趨勢。經(jīng)1100℃×20分鐘水冷固溶處理后，奧氏體和鐵素體含量約各占一半，組織均勻，表現(xiàn)出良好的耐點蝕性能。