固溶處理對節(jié)鎳型LDX2101及00Cr22Ni5Mo3N雙相不銹鋼腐蝕行為的影響

龔利華 李 洋

（江蘇科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212003）

雙相不銹鋼將奧氏體不銹鋼的優(yōu)良焊接性、韌性及耐晶間腐蝕性，與鐵素體不銹鋼的較高強(qiáng)度和耐氯化物應(yīng)力腐蝕性能有效地結(jié)合在一起，是一種重要的可焊接的結(jié)構(gòu)材料，在石油、化工等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用，并成為新型金屬材料研究的熱點(diǎn)。00Cr22Ni5Mo3N（SAF2205）雙相不銹鋼含有較高的Cr、Mo和Ni，具有高強(qiáng)度、良好的沖擊韌性、高的耐蝕性能及可焊接性。而節(jié)鎳型雙相不銹鋼是目前不銹鋼的重要發(fā)展方向，是近20年才發(fā)展起來的新品種［1-2］，其利用高N、高M(jìn)n取代Ni，以獲得穩(wěn)定的奧氏體組織，同時含Mo量有所下降。瑞典Outokumpu公司開發(fā)的節(jié)鎳型LDX2101雙相不銹鋼［3］，其Ni質(zhì)量分?jǐn)?shù)已降低至1.5%左右，生產(chǎn)成本顯著下降。

雙相不銹鋼在加工過程中往往會因為熱處理工藝不當(dāng)而導(dǎo)致有害相的析出［4-7］，使鋼的力學(xué)性能及耐蝕性能惡化，所以在合金元素及其含量確定的情況下，適宜的熱處理工藝是雙相不銹鋼優(yōu)良性能的保證。目前有關(guān)熱處理對雙相不銹鋼微觀組織乃至局部腐蝕行為的影響已有較多的研究，但主要是1 000℃以上的高溫固溶以及850℃的中溫時效等方面［8-10］，腐蝕行為方面更多的是關(guān)注點(diǎn)蝕行為的變化［11-12］。本文針對節(jié)鎳型LDX2101雙相不銹鋼，研究了950和1 100℃固溶處理對其微觀組織以及點(diǎn)蝕和應(yīng)力腐蝕開裂行為的影響，并與應(yīng)用較為廣泛的2205雙相不銹鋼進(jìn)行比較，將有助于此類材料在我國的應(yīng)用和發(fā)展。

1 試驗材料及方法

試驗材料為寶鋼LDX2101（簡稱2101）雙相不銹鋼和瑞典山特維特公司SAF2205（簡稱2205）雙相不銹鋼熱軋板，板厚均為3 mm，具體成分如表1所示。

表1 試驗用雙相不銹鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 1 Chemical compositions of the duplex stainless steels for testing （mass fraction） %

在SGM28型40 kW箱式電阻爐中對試樣分別進(jìn)行950和1 100℃保溫60 min后水淬的固溶處理。

金相試樣經(jīng)磨、拋后用腐蝕劑（成分為0.3 g K2S2O5＋20 mL HCl＋80 mL H2O）［13］進(jìn)行侵蝕，然后采用Zeiss光學(xué)顯微鏡和JEOL-JSM-6480型掃描電鏡觀察試樣顯微組織，利用能譜儀進(jìn)行成分分析。

利用標(biāo)準(zhǔn)三電極系統(tǒng)測試試樣的動電位極化曲線，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極，測試儀器為EG＆G PARC M283恒電位儀，試驗介質(zhì)為體積分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液，掃描速度為0.5 mV/s。定義腐蝕電流密度突升時對應(yīng)的電位為點(diǎn)蝕電位。

按照GB/T 15970.7—2017《金屬和合金的腐蝕應(yīng)力腐蝕試驗第7部分：慢應(yīng)變速率試驗》，將固溶處理前后的試樣加工成標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，采用SCC-1型應(yīng)力腐蝕試驗系統(tǒng)進(jìn)行常溫慢應(yīng)變速率拉伸（slow strain rate tensile，SSRT）試驗，應(yīng)變速率為1×10－6s－1，腐蝕介質(zhì)為體積分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl溶液。試樣拉斷后，利用掃描電鏡觀察斷口形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 固溶處理對微觀組織的影響

圖1為2101和2205雙相不銹鋼經(jīng)950和1 100℃固溶處理后的顯微組織。圖1（a，b）顯示出規(guī)則的兩相交織分布的條帶狀組織特征，區(qū)域分布不均勻，其中亮白色組織為γ相，灰黑色組織為α相，α相中還零星分布著二次奧氏體（γ2），由α相在冷卻過程中轉(zhuǎn)變而來。隨著固溶溫度的提高，γ2相減少，組織中未見其他析出物。圖1（c，d）顯示2205雙相不銹鋼固溶處理后的組織同樣為規(guī)則的γ相與α相交織分布，較為均勻，但當(dāng)固溶溫度為950℃時，在α/γ相界靠近α相一側(cè)有少量析出相。圖2為2101和2205鋼經(jīng)950℃固溶處理后的掃描電鏡形貌。從圖中清晰可見2101不銹鋼中析出了顆粒狀析出物γ2，而2205不銹鋼于α/γ相界處有析出物。

2205雙相不銹鋼經(jīng)950℃固溶處理后各相中主要合金元素含量如表2所示。Cr、Mo是鐵素體穩(wěn)定元素，通常雙相不銹鋼中α相較γ相的Cr、Mo含量更高，而Mn、Ni是奧氏體穩(wěn)定元素，γ相的Mn、Ni含量相對較高，表2中能譜分析結(jié)果符合這一規(guī)律。此外，析出相的Cr、Mo含量明顯高于α相的，但Ni含量較少。大量研究表明：高鉻鉬鋼600～1 000℃固溶處理易析出σ 相［14-17］，σ 相為富Cr、Mo且貧Ni的Fe-Cr-Mo金屬間化合物，所以初步判斷2205鋼中有σ相析出。經(jīng)950℃固溶處理的2101及2205鋼的X射線衍射圖譜如圖3所示。可見，2205鋼中析出了σ相，而2101鋼中并未檢測到該相。

表2 2205雙相不銹鋼經(jīng)950℃固溶處理后各相中主要合金元素含量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Table 2 Content of main alloy elements in each phase of 2205 duplex stainless steel solution treated at 950 ℃ （mass fraction） %

圖3 經(jīng)950℃固溶處理的2101和2205雙相不銹鋼的X射線衍射圖譜Fig.3 X-ray diffraction patterns of 2101 and 2205 duplex stainless steels solution treated at 950℃

雖然2101和2205雙相不銹鋼中α相和γ相含量相當(dāng)，但合金元素種類及含量的不同使得兩種鋼固溶處理后的微觀組織產(chǎn)生一定的差異。2205鋼含Cr和Mo量較高，導(dǎo)致C曲線左移，擴(kuò)大了σ相穩(wěn)定存在的溫度范圍，同時縮短了σ 相的析出時間［15，17-18］，使2205 鋼950℃固溶處理后析出了σ相。而2101鋼的Mo含量明顯低于2205鋼，顯著抑制了σ相的析出。

2.2 固溶處理對點(diǎn)蝕行為的影響

圖4為經(jīng)950和1 100℃固溶處理后2101和2205雙相不銹鋼的動電位極化曲線，點(diǎn)蝕電位如表3所示。

圖4 經(jīng)950和1 100℃固溶處理后2101和2205雙相不銹鋼的動電位極化曲線Fig.4 Potentiodynamic polarization curves of 2101 and 2205 duplex stainless steels solution treated at 950 and 1 100℃

表3 經(jīng)950和1 100℃固溶處理后2101和2205雙相不銹鋼的點(diǎn)蝕電位Table 3 Pitting potential of 2101 and 2205 duplex stainless steels solution treated at 950 and 1 100℃ mV

Mo除了是雙相不銹鋼中α相穩(wěn)定化元素之外，還是重要的抗點(diǎn)蝕元素，能改善合金的鈍化性能，提高其耐氯離子侵蝕性能，但這種優(yōu)良的耐點(diǎn)蝕性要以合金含有足夠的Cr元素為前提。2205雙相不銹鋼中Mo的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)3.01%，遠(yuǎn)高于2101鋼（wMo＝0.22%），雖然2101鋼中N含量較高，可依靠N形成的NH＋4抑制點(diǎn)蝕坑pH值下降，提高材料的耐點(diǎn)蝕性能，但N含量與Mo元素相比變化較小，不能充分發(fā)揮其有益作用。所以兩種材料成分的差異使熱軋態(tài)2205雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能優(yōu)于2101鋼，這從2205鋼較高的點(diǎn)蝕電位可以得到證實(shí)（見表3）。

結(jié)合圖4和表3可以看出，兩種材料經(jīng)950℃固溶處理后耐點(diǎn)蝕性能均下降，2205鋼下降更明顯，甚至略低于2101鋼，這與2205鋼中析出少量σ相有關(guān)。σ相為富Cr、Mo相，其周圍常出現(xiàn)貧Cr、Mo區(qū)，成為點(diǎn)蝕優(yōu)先發(fā)生的區(qū)域。2101鋼的耐點(diǎn)蝕性能下降是因為950℃固溶處理時形成了少量二次奧氏體γ2，γ2是通過亞穩(wěn)態(tài)的α相轉(zhuǎn)變而來，轉(zhuǎn)變區(qū)域往往含有較高含量的γ相穩(wěn)定化元素Ni、Mn，從而成為相對貧Cr區(qū)，優(yōu)先發(fā)生選擇性腐蝕，增大了點(diǎn)蝕敏感性。當(dāng)固溶溫度提高到1 100℃時，兩種材料的耐點(diǎn)蝕性能均提高。對于2101鋼，溫度提高促進(jìn)了元素擴(kuò)散，貧Cr、富Ni區(qū)消失，組織更加均勻，合金元素在兩相中分布更為均勻，兩相的耐點(diǎn)蝕性能差異更小。而2205鋼則由于1 100℃已高于σ相的析出溫度，組織中不存在由σ相析出導(dǎo)致的貧鉻區(qū)，且高溫加熱也使兩相組織和元素分布更加均勻。

2.3 固溶處理對應(yīng)力腐蝕開裂行為的影響

圖5為2101和2205雙相不銹鋼固溶處理前后慢應(yīng)變拉伸速率試驗的應(yīng)力-拉伸量曲線，試驗結(jié)果如表4所示。

圖5 固溶處理前后2101和2205雙相不銹鋼的慢應(yīng)變速率拉伸試驗的應(yīng)力-拉伸量曲線Fig.5 Stress-elongation curves of 2101 and 2205 duplex stainless steels during slow strain rate tensile test before and after solution treatment

表4 固溶處理前后2101和2205雙相不銹鋼的慢應(yīng)變速率拉伸試驗結(jié)果Table 4 Slow strain rate tensile test results of 2101 and 2205 duplex stainless steels before and after solution treatment

材料的組織缺陷會加劇其在腐蝕性介質(zhì)中力學(xué)性能的惡化。如表4所示，2101和2205雙相不銹鋼固溶處理后的耐應(yīng)力腐蝕性能總體升高，且隨著固溶溫度的升高，應(yīng)力腐蝕敏感性降低。但950℃固溶處理的2205鋼的斷后伸長率下降、斷裂時間縮短，耐應(yīng)力腐蝕性能下降。這主要與組織中脆性σ相析出有關(guān)，同時按照陽極溶解理論，在力的作用下，材料產(chǎn)生滑移，鈍化膜破裂，露出新鮮表面，σ相析出導(dǎo)致的貧Cr區(qū)優(yōu)先溶解，成為裂紋源，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕敏感性增大。

圖6為1 100和950℃固溶處理的2205雙相不銹鋼經(jīng)慢應(yīng)變速率拉伸后的斷口形貌。其中1 100℃固溶處理的斷口均勻分布著直徑較小、較淺的韌窩，局部有撕裂嶺，但總體上以韌窩形貌為主，屬于韌性斷裂；950℃固溶處理的斷口撕裂嶺增多，韌窩數(shù)量和深度減小，脆性斷裂傾向增大，耐應(yīng)力腐蝕性能下降。

圖6 不同溫度固溶處理的2205不銹鋼試樣慢應(yīng)變速率拉伸后的斷口形貌Fig.6 Micrographs of fracture of 2205 stainless steel samples solution treated at different temperatures after slow strain rate tensile test

3 結(jié)論

（1）2101和2205雙相不銹鋼中α相和γ相含量相當(dāng)，但合金元素種類及含量的差異使兩種鋼固溶處理后的微觀組織產(chǎn)生了一定差異。950℃固溶處理使2101不銹鋼中析出少量彌散分布的γ2相，組織均勻性較差，2205雙相不銹鋼中析出了σ相。

（2）熱軋態(tài)2205雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能優(yōu)于2101不銹鋼，但950℃固溶處理使其耐點(diǎn)蝕性能急劇惡化，不如相同工藝熱處理的2101鋼；1 100℃固溶處理對兩種鋼的點(diǎn)蝕行為影響不大。

（3）2101和2205雙相不銹鋼固溶處理后耐應(yīng)力腐蝕性能總體升高，且隨著固溶溫度的升高，應(yīng)力腐蝕敏感性降低。950℃固溶處理的2205鋼中由于析出σ相，應(yīng)力腐蝕敏感性顯著增大。