2205雙相不銹鋼在H2SO4溶液中的電化學腐蝕行為

朱 健

（撫順市特種設備監(jiān)督檢驗所，遼寧 撫順 113006）

雙相不銹鋼兼具鐵素體和奧氏體性能特點，具有較高的強度，較好的韌性和塑性，優(yōu)良的耐蝕性能和焊接性，在石油、化工、運輸、儲存和建筑等領域得到廣泛的應用[1]。在某些腐蝕性介質(zhì)環(huán)境并較低的溫度下，雙相不銹鋼逐步取代單相奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼組織結(jié)構(gòu)中奧氏體和鐵素體組織分配及耐蝕性能是人們所關注的問題，國內(nèi)外研究學者對雙相不銹鋼的組織與性能進行了大量的研究工作[2]。本文研究2205 雙相不銹鋼在H2SO4溶液中的電化學腐蝕行為，在不同溫度條件下與不同濃度H2SO4溶液中分析2205 雙相不銹鋼腐蝕行為機理。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

采用的試驗材料為2205 雙相不銹鋼，其化學成分如表1 所示。

表1 2205 雙相不銹鋼的化學成分 w/%

1.2 試驗方法

1.2.1 金相觀察

沿著材料的縱向截取金相試樣，尺寸為25 mm×10 mm×2 mm，試樣經(jīng)打磨與拋光后，使用鐵氰化鉀與氫氧化鈉的水溶液進行腐蝕，待腐蝕后吹干，用萊卡光學顯微鏡（Leica Qwin500）進行顯微組織觀察。根據(jù)ASTM E562 標準，采用網(wǎng)格數(shù)點法測定2205雙相不銹鋼顯微組織中奧氏體和鐵素體相比例。

1.2.2 電化學性能測試

利用CS350 電化學工作站進行2205 雙相不銹鋼電化學性能測試，采用三電極體系，工作電極為2205 雙相不銹鋼，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞作為參比電極。在相同溫度（室溫）條件下，H2SO4質(zhì)量分數(shù)分別為0.5%、2%、5%和10%進行電化學測試，電化學測試的試驗參數(shù)為掃描速率為1 m·s-1，掃描范圍為-0.3～1 V（vs.OCP）。

2 試驗結(jié)果與討論

2.1 顯微組織

2205 雙相不銹鋼的顯微組織如圖1 所示，可以看出，顯微組織中鐵素體相和奧氏體相呈現(xiàn)條狀，并呈相間排列，其中白色區(qū)域為奧氏體相，灰黑色區(qū)域為鐵素體相。組織分布均勻，無雜質(zhì)析出相。

圖1 2205 雙相不銹鋼顯微組織

依據(jù)ASTM E562—2011 標準， 2205 雙相不銹鋼顯微組織中奧氏體相和鐵素體相的體積分數(shù)利用網(wǎng)格法進行測定，如圖2 所示。對500 倍顯微組織圖進行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為1 cm×1 cm，平均分成5 組，每組網(wǎng)格數(shù)量為350 個，位于網(wǎng)格的交點處鐵素體相記為1，網(wǎng)格交點位于鐵素體相和奧氏體相交界處記為0.5，奧氏體相體積分數(shù)=100%-鐵素體相體積分數(shù)。計算每組網(wǎng)格內(nèi)鐵素體相的體積分數(shù)，5 組網(wǎng)格的計算結(jié)果取平均值。

圖2 網(wǎng)格交點數(shù)點法示意圖

n—測量數(shù)，取n=5。

鐵素體相體積分數(shù)平均值為：

利用公式（1）計算，得出鐵素體相體積分數(shù)平均值為42.5%，則奧氏體相體積分數(shù)平均值為57.5%。雙相不銹鋼中鐵素體相與奧氏體相的比例為30%～70%時,可以獲得良好的性能[3]。雙相不銹鋼被認為是鐵素體和奧氏體大致各占一半,但為了獲得最佳的韌性和加工特性，傾向于奧氏體相體積分數(shù)稍高于鐵素體相體積分數(shù)[4-5]。

表2 鐵素體相的體積分數(shù)

2.2 電化學性能

2.2.1 極化曲線

在室溫條件下，2205 雙相不銹在不同濃度H2SO4溶液的極化曲線如圖3 所示，極化擬合數(shù)據(jù)如表3 所示。表3 中Ep為致鈍電位，Eb為擊穿電位，Ib為擊穿電流密度。

圖3 2205 雙相不銹鋼在不同溶度H2SO4溶液中的極化曲線

表3 2205 雙相不銹鋼電化學極化過程的實驗數(shù)據(jù)

在不同濃度H2SO4溶液中，2205 雙相不銹鋼均出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象。極化曲線的活化區(qū)較小，沒有發(fā)生明顯陽極溶解，在金屬表面生成鈍化膜，產(chǎn)生電化學鈍化現(xiàn)象。從表3 中可以看出，H2SO4溶液濃度從0.5%升高5%，鈍化膜的擊穿電位提高，擊穿電流密度增大。在5%H2SO4溶液中，擊穿電位為-14.03 mV，擊穿鈍化膜所需的電流密度為14.028×10-4A·cm-2，鈍化區(qū)電位差值為328.24 mV，鈍化膜穩(wěn)定性較好。在 10% H2SO4溶液中，擊穿電位的值最低為-70.63 mV，鈍化區(qū)電位差值為144.87 mV，鈍化電位區(qū)間小，鈍化膜的穩(wěn)定性差，金屬表面易出現(xiàn)點蝕。由活化狀態(tài)轉(zhuǎn)為鈍化狀態(tài)時金屬表面形成鈍化膜，抑制金屬的溶解，金屬處于鈍化狀態(tài)，腐蝕速率非常低[6]。當電位繼續(xù)升高，金屬的電極電位達到擊穿電位后，金屬表面鈍化膜局部區(qū)域遭到破壞，金屬陽極加速腐蝕，金屬電極表面出現(xiàn)點蝕特征[7]。

2.2.2 交流阻抗

在室溫條件下，2205 雙相不銹鋼在不同濃度H2SO4溶液的交流阻抗曲線如圖4 所示，阻抗擬合數(shù)據(jù)如表4 所示。從表4 中可以看出，H2SO4溶液質(zhì)量分數(shù)從0.5%升高5%，電荷轉(zhuǎn)移電阻的值呈現(xiàn)先增加后降低的趨勢。當H2SO4溶液溶度達到5%時，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct 的值最大為8.222×10-3Ω·cm-2，當H2SO4質(zhì)量分數(shù)達到10%時，電荷轉(zhuǎn)移電阻Rct的值最小為1.92×10-4×10-3Ω·cm-2。容抗弧的半徑大，腐蝕過程中電荷轉(zhuǎn)移電阻越大，耐蝕性越好，越不易發(fā)生腐蝕。由于，2205 雙相不銹鋼在5%H2SO4溶液中致鈍化電位較低，易形成鈍化膜，具有較好的耐蝕性能。

圖4 2205 雙相不銹鋼在不同溶度H2SO4溶液中的交流阻抗曲線

表4 2205 雙相不銹鋼在不同溶度H2SO4溶液中電荷轉(zhuǎn)移電阻

2.3 分析與討論

2205 雙相不銹鋼中含有質(zhì)量分數(shù)為22%的Cr元素，5.5%的Ni 元素，添加鉻、鎳可以提高鋼鐵的鈍化能力，提高合金的穩(wěn)定性[8]。此外，2205 雙相不銹鋼在稀硫酸介質(zhì)中發(fā)生電化學腐蝕，極化曲線上極化活化區(qū)域小，金屬陽極發(fā)生溶解速度緩慢，在外加電流作用下，金屬表面形成很薄的硫酸根離子吸附層，溶液中氧原子進入吸附層填補鈍化膜中氧空位，改變金屬與溶液介質(zhì)的界面結(jié)構(gòu)，提高陽極金屬反應的活化能力，金屬發(fā)生鈍化，陽極電位正移，金屬表面反應的活化能力降低，腐蝕速率減小[9]。當氧空位產(chǎn)生的速度大于其消失的速度，多余的氧就會在金屬與鈍化膜界面處積累，尤其在鈍化膜的薄弱處積累，為點蝕形成提供有利的條件，腐蝕電流密度突然增大，陽極電位達到鈍化膜擊穿電位，鈍化膜遭受破壞，發(fā)生點蝕[10-11]。

3 結(jié)論

1）2205 雙相不銹鋼顯微組織由鐵素體相和奧氏體構(gòu)成，鐵素體相體積分數(shù)平均值為42.5%，則奧氏體相體積分數(shù)平均值為57.5%。

2）在不同濃度H2SO4溶液中，2205 雙相不銹鋼均出現(xiàn)鈍化現(xiàn)象，極化曲線的活化區(qū)較小，沒有發(fā)生明顯陽極溶解現(xiàn)象。

3）在5% H2SO4溶液中，2205 雙相不銹鋼鈍化膜的擊穿電位較高，擊穿電流密度大，鈍化區(qū)間寬，鈍化膜穩(wěn)定性較好。