2205DSS焊接結(jié)構(gòu)在酸性環(huán)境下腐蝕速率研究

王智祥，張 瑤，張繼祥

（1.重慶交通大學(xué)船舶工程中心，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074）

2205DSS焊接結(jié)構(gòu)在酸性環(huán)境下腐蝕速率研究

王智祥1，張 瑤2，張繼祥2

（1.重慶交通大學(xué)船舶工程中心，重慶 400074;2.重慶交通大學(xué)機(jī)電與汽車工程學(xué)院，重慶 400074）

試驗研究了2205DSS焊接結(jié)構(gòu)的母材區(qū)、融合區(qū)、熱影響區(qū)分別在草酸、硝酸和鹽酸溶液中的腐蝕速率。研究發(fā)現(xiàn):該結(jié)構(gòu)在草酸和沸騰的硝酸溶液中有較好的耐腐蝕能力，而在鹽酸溶液中較差;熔合區(qū)腐蝕速率最快，母材區(qū)次之;在鹽酸溶液中腐蝕速率隨著溫度的升高而加快，隨著鹽酸溶液濃度的增加先增加后降低，隨著腐蝕時間的進(jìn)行而降低。建立了腐蝕速率與鹽酸溶液的溫度、濃度、腐蝕時間之間的數(shù)學(xué)模型，該模型能快速計算該焊接結(jié)構(gòu)在鹽酸溶液中的腐蝕速率。

2205雙相不銹鋼焊接處;酸性腐蝕環(huán)境;腐蝕速率

2205 DSS是由大約各占50%的奧氏體和鐵素體組成的，具有良好的力學(xué)和耐腐蝕性能。很多學(xué)者對其進(jìn)行的試驗研究表明，與奧氏體不銹鋼相比，它的強(qiáng)度更高，耐晶間腐蝕和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性更強(qiáng)［1-3］。然而材料在工程運(yùn)用中大量使用焊接工藝，焊接后的焊接結(jié)構(gòu)與母材相比，奧氏體相和鐵素體相的比例發(fā)生改變從而導(dǎo)致焊接結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能和耐腐蝕性能都發(fā)生了一定的變化［4-7］。

在2007年，川東船廠在國內(nèi)首次使用國產(chǎn)2205雙相不銹鋼制造化學(xué)藥品船，該船制造過程中大量用到焊接工藝，在最近檢查發(fā)現(xiàn)焊接處有明顯腐蝕痕跡，并且裝酸性溶液的化學(xué)船被腐蝕的情況比裝堿性藥品的化學(xué)船嚴(yán)重得多。而國內(nèi)對國產(chǎn)2205DSS焊接結(jié)構(gòu)在酸性環(huán)境中的耐腐蝕沒有單獨(dú)研究，筆者根據(jù)GB/T 4334—2008《金屬和合金不銹鋼晶間腐蝕實驗方法》，用草酸、硝酸、鹽酸對2205DSS焊接結(jié)構(gòu)進(jìn)行腐蝕試驗，旨在研究焊接處在惡劣的酸性環(huán)境下的耐腐蝕能力。

1 焊接工藝及試驗前處理

1.1 試驗材料

試驗采用川東造船廠特種船舶用2205雙相不銹鋼，焊絲選用ER 2209，兩者的化學(xué)成分見表1。

表1 2205雙相不銹鋼和ER 2209焊絲的化學(xué)成分Table 1 Main chemical compositions of 2205 duplex stainless steel＆ER 2209 wire /%

1.2 焊接工藝

將2205雙相不銹鋼板加工成200 mm×100 mm×10 mm的試樣，焊接前焊接坡口如圖1。焊接時采用川東船廠焊接試驗室的NB-500 IG-BT型氣體保護(hù)焊機(jī)對母材進(jìn)行多層平焊。層間溫度T控制在150～250℃范圍內(nèi)，焊接速度v控制在10～12 m/min范圍內(nèi)，焊接電流I控制在125～135 A范圍內(nèi)，電壓U控制在24.5～25 V范圍內(nèi)。

圖1 V型破口試驗Fig.1 Test on V-Shaped weld groove

2 試驗

2.1 草酸試驗

2.1.1 試驗方法

按照GB/T 4334.1—2008《不銹鋼10%草酸浸蝕實驗方法》進(jìn)行草酸試驗。試驗后，用試件的金相圖與標(biāo)準(zhǔn)試驗結(jié)論圖對比，研究試件是否發(fā)生晶間腐蝕。

2.1.2 試驗結(jié)果及分析

顯微鏡下試件腐蝕前后金相如圖2。對比母材腐蝕前后如圖2中的（a）和（b）狀態(tài)，可以清晰看到圖2（b）中標(biāo)示的白色部分為奧氏體，黑色部分為鐵素體并且在奧氏體表面有很多被腐蝕的深孔，對比國家標(biāo)準(zhǔn)［8］證實2205雙相不銹鋼發(fā)生晶間腐蝕。圖2（c）為熱影響區(qū)，可以看到奧氏體相和鐵素體相分布均勻，其表面看不到腐蝕留下的孔洞。

圖2 草酸試驗結(jié)果Fig.2 Oxalic acid test results

2.2 65%硝酸沸騰試驗

2.2.1 試驗方法

1）根據(jù) GB/T 4334.3—2008《不銹鋼65%硝酸腐蝕實驗方法》選擇母材和焊縫各2塊。試件1和試件2為母材，試件3和試件4為焊縫。

2）用分析天平稱出4塊材料的質(zhì)量W1，用千分尺測出其尺寸并計算出腐蝕面積S。

3）分別放入4個裝有400 mL濃度為65%硝酸的錐形圓底燒瓶中，放入水域箱中加熱并保持沸騰，保溫48 h。稱其質(zhì)量W2，按式（1）計算腐蝕速率:

式中:V為腐蝕速率，g/（mm2·h）;W1為試驗前式樣重量，g;W2為試驗后試樣重量，g;S為試樣腐蝕面積，mm2;t為腐蝕時間，h。

4）每隔12 h測量1次試件質(zhì)量以及表面硬度，并且用顯微鏡觀察試樣表面顯微組織。

2.2.2 試驗結(jié)果及分析

試驗完成后，將所測數(shù)據(jù)帶入式（1）計算腐蝕速率結(jié)果見表2。

表2 腐蝕速率計算結(jié)果Table 2 Calculation results of corrosion rate

從表2可知母材和焊接處的腐蝕速率分別為0.315，0.820 g/（m2·h1）。在 65%沸騰的硝酸溶液中，腐蝕率不大于0.6 g/（m2·h1）的材料可以用來裝硝酸溶液［6］，因此，母材能達(dá)到要求，而焊接處達(dá)不到要求。所以，船廠制造用來裝硝酸溶液的化學(xué)船，焊接部位必須每間隔一段時間進(jìn)行一次檢測，防止因焊接腐蝕失效而引起的災(zāi)難。

圖3為2205DSS焊接結(jié)構(gòu)在沸騰的硝酸溶液中腐蝕后表面硬度變化情況。

圖3 腐蝕后硬度變化Fig.3 Hardness change after corrosion

從圖3中可以看出焊縫的融合區(qū)硬度變高，而熱影響區(qū)變低。這是由于加工硬化和電化學(xué)腐蝕使Cr元素富集到焊縫從而引起焊縫處硬度增加，同時熱影響區(qū)熱處理后奧氏體相和鐵素體相分布不均勻，腐蝕影響了其表面硬度。熱影響區(qū)由于熱處理使Cr原子與C原子結(jié)合生成了CrC，從而導(dǎo)致表面硬度降低［9-10］。

2.3 鹽酸腐蝕試驗

2.3.1 試驗方法

1）在上述標(biāo)準(zhǔn)焊接材料的熔合區(qū)、熱影響區(qū)及母材中，各取12個10 mm×10 mm×10 mm的立方體，并將腐蝕表面以外的面用環(huán)氧樹脂密封好。測量出腐蝕面的表面積S和重量W1待用。

2）取36根試管、4個恒溫箱，每個恒溫箱中裝入9根試管，試管中分別裝入10%，20%，30%鹽酸并編號。

3）試驗時間為72 h，每隔24 h檢測一次。通過對比腐蝕前后質(zhì)量變化，按式（1）計算出腐蝕速率。

4）根據(jù)試劑濃度、腐蝕時間和溫度，建立新的腐蝕速率數(shù)學(xué)模型。

2.3.2 鹽酸中腐蝕試驗結(jié)果

每隔24 h測一次試件質(zhì)量W2，根據(jù)試驗前測得的試驗數(shù)據(jù)帶入式（1）。分別計算出母材、熱影區(qū)、焊縫在不同溫度、不同濃度、不同時間下材料的腐蝕速率。計算結(jié)果見表3。

表3 材料各區(qū)在不同環(huán)境的鹽酸中的腐蝕速率Table 3 Corrosion rate of different districts of weld structures in different environment /（mg·mm-2·h-1）

3 腐蝕速率的數(shù)學(xué)模型及分析

根據(jù)表3，母材、焊縫、熱影響區(qū)的腐蝕速率變化趨勢是一致的。這說明腐蝕速率V與溫度T、腐蝕時間t以及鹽酸濃度W存在某種數(shù)學(xué)關(guān)系，經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)腐蝕速率V與溫度T成指數(shù)關(guān)系，腐蝕速率V與腐蝕時間t成周期變化，腐蝕速率V與鹽酸濃度w成二次關(guān)系。運(yùn)用ORIGIN軟件對表3數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性數(shù)學(xué)模型模擬，采用單參數(shù)變化的方法，確定該參數(shù)與腐蝕速率之間的最佳擬合模型:

該數(shù)學(xué)模型對曲線擬合精度可根據(jù)模型擬合值與實測值Vi的接近程度來衡量［11］。定義曲線回歸擬合精度指標(biāo)相關(guān)系數(shù)RNL為:

RNL把統(tǒng)計學(xué)中常用RSS參差平方和與相對誤差有機(jī)地結(jié)合在了一起，RNL越接近1，表明數(shù)學(xué)模型對曲線地擬合精度越好。曲線擬合精度見表4，由表可見建立的模型能夠準(zhǔn)確的反映鹽酸溶液的溫度、濃度和腐蝕時間對腐蝕速率的影響。

表4 數(shù)學(xué)模型擬合精度Table 4 Fitting results of mathematical model

根據(jù)ORIGIN軟件非線性回歸分析得到如下結(jié)果:

1）母 材

2）熱影響區(qū)

3）焊 縫

從數(shù)學(xué)模型可以看出，溫度對腐蝕速率的影響最大，其次是鹽酸溶液的濃度，而腐蝕時間對其影響不明顯。在同一濃度的鹽酸溶液中，腐蝕開始的第1天，焊縫腐蝕速率是最大的，母材次之，而熱影響區(qū)的腐蝕速率是最小的。這是由于在焊接過程中，焊縫的融合區(qū)是富含合金元素的區(qū)域，熱影響區(qū)在熱處理過程中該區(qū)域的Cr元素與C元素結(jié)合生成了CrC，從而發(fā)生貧鉻，熱影響區(qū)含合金元素相對減少，最終導(dǎo)致腐蝕速率偏低。腐蝕發(fā)生到第2天和第3天，焊縫腐蝕速率最大，熱影響區(qū)和母材的腐蝕速率相同。這是由于熱影響區(qū)在熱處理時是有一定深度的，當(dāng)腐蝕到一定深度后熱影響區(qū)的組織與母材差不多，所以腐蝕速率趨于相等［12-13］。

本模型能夠準(zhǔn)確表明2205雙相不銹鋼在鹽酸溶液中的腐蝕速率的變化情況。與傳統(tǒng)的腐蝕速率模型（1）相比，本模型能良好的反映腐蝕環(huán)境因素與腐蝕速率之間的關(guān)系。

4 結(jié)論

1）在硝酸溶液中焊縫的耐腐蝕性能遠(yuǎn)不如母材，所以有焊縫的化學(xué)船不能用來裝硝酸藥品。

2）在硝酸溶液腐蝕過程中母材硬度變化很小，焊縫腐蝕后硬度明顯變大，熱影響區(qū)硬度變小。

3）2205 雙相不銹鋼在鹽酸中腐蝕速率由快到慢依次是焊縫＞母材＞熱影響區(qū)。

4）建立了2205雙相不銹鋼在鹽酸中腐蝕速率與溫度、時間、鹽酸濃度之間的數(shù)學(xué)模型。該模型在T∈（20，80），t∈（0，72），W∈（0.1，0.3）的條件下能良好的預(yù)測瞬時腐蝕速率。

5）對2205雙相不銹鋼在鹽酸中腐蝕速率的影響程度由大到小排序為溫度＞濃度＞腐蝕時間。

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Corrosion Rate of the Welding Seam of 2205 Stainless Steel in the Acidic Environment

Wang Zhixiang1，Zhang Yao2，Zhang Jixiang2
（1.Center of Marine Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China;
2.School of Mechatronics ＆ Automotive Engineering，Chongqing Jiaotong University，Chongqing 400074，China）

The corrosion rates of the base metal zone，fusion zone and the heat affected zone of 2205DSS welded structures in various acid solutions are studied.It is found that the 2205DSS welded structure shows better corrosion resistance in oxalic acid and boiling nitric acid solution.However，the structure shows poor corrosion resistance in the hydrochloric acid solution obviously and the fastest rate of corrosion is the fusion zone，and the corrosion rate of base metal is followed.In the hydrochloric acid solution，the corrosion rate is accelerated as the temperature rises;the corrosion rate increases with the increase of hydrochloric acid solution concentration firstly and then decrease;the corrosion rate is reduced with the conduct of the etching time.The mathematical model of relationship among corrosion rate，temperature of the hydrochloric acid solution，concentration and etching time is established，which can quickly calculate the corrosion rate of the welded structures in the hydrochloric acid solution.

weld of 2205 duplex stainless steel;acid corrosion environment;corrosion rate

TG 113.23+2

A

1674-0696（2013）02-0360-05

10.3969/j.issn.1674-0696.2013.02.39

2012-04-26;

2012-09-05

重慶市科委重大科技攻關(guān)項目（ests2008ab3033）

王智祥（1955—），男，四川資陽人，教授，主要從事船舶、機(jī)械工程及材料成型加工方面的研究。E-mail:wzx@cquc.edu.cn。