酸洗對薄壁0Cr18Ni9 不銹鋼腐蝕的試驗研究

陳勝利，郭和平，李玉生，張新宇

(新鄉(xiāng)航空工業(yè)(集團)有限公司，河南 新鄉(xiāng) 453049)

0 引言

以0Cr18Ni9 為代表的奧氏體不銹鋼具有優(yōu)良的耐腐蝕性能、綜合力學(xué)性能、工藝性能和焊接性能，因而在化工、原子能、航空和航海等工業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用［1-3］。但0Cr18Ni9 型奧氏體不銹鋼產(chǎn)品在制造、使用中由于與周圍環(huán)境的作用產(chǎn)生晶間腐蝕［4］、應(yīng)力腐蝕［5-6］、點腐蝕［7］，進而導(dǎo)致產(chǎn)品失效也時有發(fā)生。

0Cr18Ni9 不銹鋼產(chǎn)品特別是細不銹鋼管和薄不銹鋼帶，在釬焊后或熱處理后的酸洗過程中多次出現(xiàn)過腐蝕事件。腐蝕不僅造成產(chǎn)品壁厚減薄、腐蝕穿孔，而且對產(chǎn)品的力學(xué)性能也會產(chǎn)生嚴重影響。本研究采用常用的去除不銹鋼氧化膜腐蝕劑(30%HNO3+10%HF+60%H2O、20%HNO3+20%HF+60%H2O)，對0.1 mm 的0Cr18Ni9 不銹鋼帶進行酸洗腐蝕試驗，探討酸洗過程的各因素對薄壁不銹鋼腐蝕的影響。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 試驗用材料和腐蝕劑

1)試驗用材料:0.1 mm × 400 mm 的0Cr18Ni9 不銹鋼帶，化學(xué)成分符合GB/T 4239—1991 的技術(shù)要求(表1)。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)/%)Table 1 Analysis results of chemical composition (mass fraction/%)

2)試樣狀態(tài)及力學(xué)性能。

原材料為固溶態(tài)，晶粒度為8 級(圖1a)。模擬不銹鋼鎳基釬料釬焊工藝，在真空釬焊爐中完成，加熱溫度為1 060 ℃，保溫時間為10 min，然后爐冷至150 ℃以下出爐空冷。加熱及冷卻過程真空度不低于1 ×10-2Pa。材料熱處理后的晶粒度為7.5 級(圖1b)。拉伸性能見表2。

圖1 材料的金相組織Fig.1 Metallographic structure of experimental materials

3)試驗用化學(xué)試劑:HF，分析純，HF 含量≥40%;HNO3，分析純，HNO3含量65%～68%;HCl，分析純，HCl 含量36%～38%;H2O。

4)試驗用腐蝕劑:30% HNO3+10% HF +60%H2O(1#腐蝕劑);20% HNO3+20% HF +60%H2O(2#腐蝕劑)(均為體積分數(shù))。

表2 材料的室溫力學(xué)性能Table 2 Room-temperature mechanical property of experimental materials

1.2 試驗方案

對原材料態(tài)和熱處理態(tài)兩種材料進行試驗，對每種腐蝕劑均在(18±2)℃，(32±2)℃，(52±2)℃的3 個溫度下進行酸洗腐蝕試驗。溫度測定儀器是玻璃溫度計，在每個溫度下進行2、4、8、16 min 的酸洗腐蝕試驗。時間測定儀器是秒表，每種腐蝕劑均現(xiàn)配制現(xiàn)使用，每組試樣為3 根，測定0Cr18Ni9 不銹鋼帶試樣減薄量和力學(xué)性能。取3 個試樣的平均值進行比較，試樣均按公稱厚度測定力學(xué)性能，再進行金相組織觀察。

1.3 試驗結(jié)果

1)不同條件下減薄量與性能測試。表3～表6 分別為2 種狀態(tài)和2 種腐蝕劑下的試驗結(jié)果。

表3 原材料態(tài)在1#腐蝕劑中的試驗結(jié)果Table 3 Test results of solid-solution stainless steel strip (kept in No.1 etchant)

表4 原材料態(tài)在2#腐蝕劑中的試驗結(jié)果Table 4 Test results of solid-solution stainless steel strip (kept in No.2 etchant)

表5 熱處理態(tài)在1#腐蝕劑中的試驗結(jié)果Table 5 Test results of annealed stainless steel strip (kept in No.1 etchant)

2)金相組織觀察。將酸腐蝕后的拉伸試樣制成金相試樣進行組織觀察，能夠看到:裂紋由表面沿晶界向中心擴展，說明腐蝕是晶間腐蝕;相同試驗環(huán)境下，原材料態(tài)試樣和熱處理態(tài)試樣相比試樣厚度變化不大，但原材料態(tài)試樣裂紋少，裂紋向心部擴展淺，說明原材料態(tài)試樣和熱處理態(tài)試樣耐厚度減薄能力基本相同，而熱處理態(tài)試樣耐晶間腐蝕能力明顯降低;酸液溫度越高、酸腐蝕時間越長，裂紋向心部擴展越深，晶粒間裂縫越大。由退火態(tài)鋼帶在32 ℃的1#腐蝕劑中腐蝕8 min的金相組織和在52 ℃的2#腐蝕劑中腐蝕16 min的金相組織(這也是所有試樣中腐蝕最嚴重的一組)對比(圖2)可知，酸液溫度、酸腐蝕時間、腐蝕劑類型對晶間腐蝕均有較大影響，并且腐蝕是以晶間腐蝕為主，試樣減薄為輔，外觀看腐蝕并不嚴重，實際上試樣已變酥脆化。

表6 熱處理態(tài)在2#腐蝕劑中的試驗結(jié)果Table 6 Test results of annealed stainless steel strip (kept in No.2 etchant)

2 分析與討論

2.1 腐蝕量

將2 種腐蝕劑對2 種狀態(tài)的0Cr18Ni9 不銹鋼帶壁厚減薄量繪成曲線圖(圖3、圖4)，可以看出:對于2 種狀態(tài)下的材料，腐蝕劑溫度增高，腐蝕量加大，但在32 ℃以下，腐蝕時間在4 min 以內(nèi)，其壁厚減薄量變化不大;對于不同組分的腐蝕劑，2#腐蝕劑比1#腐蝕劑對0Cr18Ni9 不銹鋼腐蝕能力強，說明溶液中HF 含量增加，對0Cr18Ni9腐蝕增強。

比較圖3a 和圖4a、圖3b 和圖4b 可以看出:熱處理態(tài)和原材料態(tài)在兩種腐蝕劑的壁厚減薄量在32 ℃以下相差不大;52 ℃時熱處理態(tài)的壁厚減薄量略小于原材料態(tài)壁厚減薄量，這可能與熱處理后表面氧化膜增厚有關(guān)。結(jié)合金相組織觀察，熱處理態(tài)的腐蝕是以晶間腐蝕為主，壁厚減薄為輔。

圖2 退火態(tài)鋼帶腐蝕后的金相組織Fig.2 Metallographic structure of annealed stainless steel strip after corrosion

圖3 原材料態(tài)各腐蝕劑中的腐蝕量Fig.3 Corrosive degree of solid-solution stainless steel strip

圖4 熱處理態(tài)各腐蝕劑中的腐蝕量Fig.4 Corrosive degree of annealed stainless steel strip

2.2 力學(xué)性能

圖5 為兩種腐蝕劑對0Cr18Ni9 不銹鋼帶抗拉強度的影響曲線。由圖5 可以看出:隨著腐蝕劑溫度的升高，其試樣力學(xué)性能下降幅度增大;隨著腐蝕時間延長，其力學(xué)性能下降幅度增大;熱處理態(tài)和原材料態(tài)抗力學(xué)性能下降能力差別很大，熱處理態(tài)力學(xué)性能下降幅度較大，這與其熱處理態(tài)耐晶間腐蝕能力差相吻合。

比較兩種腐蝕劑對材料力學(xué)性能的影響可以看出，2#腐蝕劑比1#腐蝕劑對0Cr18Ni9 力學(xué)性能影響更大，說明溶液中HF 含量增加，對0Cr18Ni9力學(xué)性能影響增強。

3 結(jié)論

圖5 腐蝕劑對不銹鋼帶力學(xué)性能的影響Fig.5 Effect of etchant on mechanical property of stainless steel strip

1)酸洗過程中，酸液溫度的增加和腐蝕時間的延長，都會導(dǎo)致0Cr18Ni9 帶材的壁厚減薄量和力學(xué)性能下降幅度增大。

2)熱處理態(tài)的0Cr18Ni9 與原材料態(tài)的0Cr18Ni9 在短時酸洗(酸洗時間≤16 min)時，壁厚減薄量稍小，但抗力學(xué)性能下降能力相差很大，金相組織檢查表明腐蝕是以晶間腐蝕為主，熱處理態(tài)的0Cr18Ni9 抗晶間腐蝕能力遠低于原材料態(tài)的0Cr18Ni9 抗晶間腐蝕能力。

3)溶液中HF 含量增加，對0Cr18Ni9 腐蝕量和力學(xué)性能影響增強。

4)生產(chǎn)中常采用30%HNO3+10%HF+60%H2O 作為腐蝕劑去除薄壁0Cr18Ni9 表面氧化膜。酸洗時，酸洗溫度控制在32 ℃以下，酸洗時間控制在2 min 以內(nèi)對薄壁0Cr18Ni9 件腐蝕量和性能影響很小;酸洗時間超過2 min 雖然對薄壁0Cr18Ni9 件壁厚減薄量影響較小，但對力學(xué)性能影響很大，會導(dǎo)致0Cr18Ni9 變脆。

5)含HF 的腐蝕劑對退火態(tài)的0Cr18Ni9 薄壁不銹鋼力學(xué)性能影響極大，易使材料變酥脆化。HF 含量增高，對材料力學(xué)性能影響增大。

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