新型双相抗点蚀铸造不锈钢的组织及耐蚀性能研究

第１４卷第１期　上海金属　Ｖｎ１　２４　１　２７　２　０　０　２年１月　ＳＨＡＮＧＨＡＩ　ＭＥＴＡＬＳ　】ａｎ．２　０　０　２　新型双相抗点蚀铸造不锈钢的组织及耐蚀性能研究　郭宁秦紫瑞　ｔ大连删工太学．¨６０Ｉ３）　【摘要】　采用垒相显微镜、ｘ射践衍射、电子探针、扫描电镜（ＳＥＭ）和扫描隧道显　微镜（ＳＴＭ）研究了新型超低碳、低铬镍、高硅双相铸造不镑钢的组织及其点蚀行为，结果　表明，新钢种具有比Ｃ１５钢更好的抗点蚀性能。　【关键词】　双相铸造不镑钢显微组织抗点蚀性　ＳＴＵＤＹ　ＯＮ　ＭＩＣＲＯＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＡＮＤ　ＰＲＯＰＥＲＴＹ　ＯＦ　ＮＥＷ　ＣＡＳＴ　ＳＴＡＩＮＬＥＳＳ　ＳＴＥＥＬ　ＷＩＴＨ　ＤＵＰＬＥＸ　ＰⅡＡＳＥ　ＳＴＲＵＣＴＵＲＥ　ＯＦ　ＲＥｓｌＳＴＡＮＣＥ　ＴＯ　ＰＴｒＴＩＮＧ　ＣＯＲＲＯＳＩＯＮ　Ｇｕｏ　Ｎｉｎｇ　Ｑｉｎ　Ｚｉｍｉ　（Ｄａｌｉａｎ　Ｕｎｉｖｅｅｄｌｙ　ｄｍ０ｌ。　【ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｔ　川…ｔ川ｃ　ｅ　ａＩＩｄ　Ｐｉｌｔｉ“５　ｈ　ｉ　…ｗｔｙｐ㈣ｔ　ｓ　…１…ｔ　ｌ们由　ｌｅ　ｐｈａ辩自ｔ川ｃｔ¨ｒｅ．ｓ　ｐ目ｌｏｗ　ａｒＩ∞ｎ．１ｏｗ　ｃｈｍｍｉｕｍ，ｎｉｃｋｅｌ　ａｎｄ　ｈｉｇｈ　ｓｉｌｉ￣ｎ　ｃｏｎｔｒａｉｌ…ｉｎｖｅｓｌｉｇａｔ￣ｂ　ｔｈｅ…自ｏｆ　ｍｅｋａｌｌｏｌ￣ａｐｈｉｅ　ｍｉｅ￣ｐｅ．Ｘ　ｒ　ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ　ｓｐｅｃｔｒｕｍ．ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　ｐｒｏｂｅ．￣ａｎｎｉｎｇ　ｅｌｅｃｔｒｏｎ　ｍ…　ｌ　ＳＥＭ｝ａｎｄ　ｓｃａｎｎｉｎｇ　Ｗｎｎｄｉｎｇ　ｍｉｅｗ￣ｏｐｅ（ＳＴＭ）Ｔｈｅ￣ａｕ］ｔｓ　ｓｈｏｗｅｄ　ｔ　ｔｈｅ　…　ｐｅ　ｓｌ∞】ｈａｄ　４　ｂｅｔｔｅｒ　ｒ￣ｉｓｔａｎｅｅ　ｔｏ　ｐｉｔｔｉｎｇ　ｃｏ￣ｓｉｏｎ　ｔｈａｎ　ｔｈａｔ　ｏｆ　ｈｔｅ　ＣＩ５　ｓｔｅｅｌ　【Ｋｅｙ　Ｗｏｒｄｓ】ｃａ　￣ａｉｎｌ…Ｓｔｅｅｌ　ｉｈｔ　Ｄｕｐｌｅｘ　Ｐｈａ　Ｓｔｍ　ｍ．Ｍｉｃｒ∞Ⅱ　ｔ㈣ＰｉＢｉ　Ｅ　ｃ。…ｎ　Ｒｅｓｉ目ｔ　ａｒＩｃｆ　１前言　命性进展。也因此使试验钢获得了更为真实的三　金属腐蚀问题对国民经济的发展有巨大影　维点结构图象信息。　响，特别是随着科学技术和现代工业，象石油、　２试验钢的成分设计及生产处理工艺　化工、冶金、国防及海洋开发等工业的发展，需　２．１试验铜的化学成分设计　要金属材料在更加苛刻的条件下使用．而且对其　各种合金元素对不锈钢抗点蚀性能的影响是　使用寿命的要求也越来越高。金属腐蚀中的均匀　不同的。以往的一些试验工作表明　，对于提　腐蚀．因其发生在表面．易被察觉，且防腐蚀设　高不锈钢抗点蚀能力最有效的元素是Ｃｒ、Ｍｏ、　计较为容易。而钢与合金的点蚀，由于其隐蔽，　ｓｉ、ｗ、ｖ、Ｎｉ、Ｎ等。而Ｃ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ等元素　并探＾到金属内部的一种蚀孔状腐蚀形态，而且　将会恶化钢的抗点蚀性能，为此，在试验钢的化　点蚀孔一旦产生，便按自催化过程迅速发展，导　学成分设计中，考虑适量的ｃｒ、ｓｊ元素．使其　致腐蚀破坏。再加上目前对点蚀的预测和监控还　起到复合的钝化作用，并与少量的Ｎｉ相配合，　比较困难，事故往往在没有什么先兆的情况下突　使其在铁素体基本上分布有适量奥氏体的双相组　然发生，因此点蚀是危险性很大甚至是灾难性的　织。同时最大限度的降低ｃ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ含量，　腐蚀失效。为此，研制高耐点蚀用钢及对点蚀行　使该钢具有照好的抗点蚀性能和较低的成本。　为的研究十分必要　。　根据合金元素对耐蚀性及物理ｌ生能的综合考　本文采用扫描隧道显微成象技术．囡其具有　虑后，试验钢的化学成分设计为：Ｃ≤０　０３％；　超高三维分辨（原子级分辨）及对样品非接触无　ｓｉ为３％～４％；Ｍｎ≤０　４％，Ｐ、Ｓ≤０．０１％；　损成象等特点　，被誉为现代表面分析技术的革　Ｃｒｌ３％～１６％；Ｎｉ５％～８％；Ｆｅ　量　维普资讯 http://www.cqvip.com

上海金属　第２４卷　２　２钢的冶炼及热处理　０　Ｏ１％，　为余量），金属ｃｒ、金属ｓ　、电解　２．２】　钢的冶炼和成分　镍、电解铜、微碳钼铁等。每种钢液分别浇注　试验钢（包括对比用Ｃ１５钢）在中频感应电　１５ｍｍ×１５ｍｍ×２０ｍｍ的试棒。试验钢的化学成　炉中冶炼，所用的金属炉料有工业纯铁（ｃ≤　分见表１。　０　０【％，Ｓｉ≤０　２０％　Ｍｎ≤０．２０％，Ｐ、Ｓ≤　２．２．２钢的热处理　表１试验钢的化学成分ｃｗｔ一％　称置代号　Ｃ　Ｓｌ　Ｐ、Ｓ　Ｍｎ　Ｃｕ　ｈ　驻钢　０　０ｌ　３　８５　６　２９　亲量　０　０３　２０　２３　亲量　由于试验钢和对比钢ｃ１５中ｃｒ、Ｎｉ、ｓｊ等合　织，通过Ｘ射线衍射分析新型钢的相结拘　利　金元素含量较高，所以在晶界甚至基体中易析出　用电子探针对合金元素在两相中的分布进行定量　ｃＴ的碳化物和金属间相。为了使其固溶于基体　分析，每一相任选三点，本文数据为三点的算术　中，所以试验钢采用１０５０℃×２ｈ水冷固溶化处　平均值。　理：而ｃ１５钢采用１１５０℃×２ｈ水冷固溶处理　试验钢的金相组织照片见图１；Ｘ射线衍射　热处理均在装有自动控温装置的箱式电炉中进　谱线见图２；电子探针对铁素体及奥氏体相的定　行＝　量分析结果见表２。采用网格法对组织中７相存　３试验钢的金相组织　在量进行了测定，为保证结果的准确性，每个试　采用卧式金相显微镜观察试验钢的金相组　样选取２０个视野，其测定结果见表３。　≤ｌ　＿图１试验钢的金相组织　×２５０　表３新型钢中不同热处理状态下的Ｙ相量　新型钢的状态　铸志　固溶杰　７相的总量　２　由图ｌ可见，试验钢经１０５０　ｘ　２ｈ水冷固　图！试验铜（１０５０℃×２ｈｗｃ）的Ｘ射线衍射谱线　溶处理后，粗大的铸态组织得到细化　分布也趋　于均匀化。经Ｘ射线衍射结果可以看出，其谱　表２新型钢两相中合金元素含量（砒一％）　线上没有发现碳化物析出相，只有ａ铁素体和　相名称　Ｓｉ　Ｃ　ｒ　ＮＩ　Ｆｅ　奥氏体两相组织，从中亦可见，该钢是以　铁素　０　６　２５０ｌ　０　２２３ｌ　体为基体。电子探针对合金元素在两相中的定量　７　２　３８２４　分析表明，ｃｒ、ｓｉ富集于ａ基体中，其含量明显　维普资讯 http://www.cqvip.com

郭　宁等：新型双相抗点蚀铸造不锈钢的组织及耐蚀性能研究　２９　高于钢的实际成分，而Ｎｉ、Ｍｎ富集于　相中．　此外不同的热处理状态，使锕中两相比例发生　明显变化，试验钢铸态组织中、　相量较多，经　过固溶处理后　相总量减少。　４钢的点蚀行为　试验钢经固溶处理后加工成１０ｔｕｒｎ　Ｘ　ｌＯｍｍ×　３ｍｍ的方试片，在其一面焊上带有塑料皮的硬　导线．对面留出１　ｃ　的试验表面，其余部分均　用聚苯乙烯镶嵌。试样表面用细砂纸打磨后进行　机械抛光．用无水乙醇擦拭试验表面。以试样为　阳极　铂板为辅助电极　参比电极为饱和甘汞电　槛。试验介质为３　５％ＮａＣ１溶液，采甩４５℃恒温　水浴～主要实验设备有晶体管恒电位仪、自动扫　描仪　Ｘ—Ｙ记录仪、对数转换仪和溶液槽等。　将试样放八溶液槽的ＮａＣ１介质中．当电位　稳定后记下腐蚀电位Ｅｃｏｒｒ，从Ｅｃｏｎ＂电位开始，　以１ＯｍＶ／ｍｉｎ的扫描速度向正方向扫描，当电流　突然增大击穿后．稳定１０ｍｉｎ，然后以ｌＯｍＶ／ｍｉｎ　的扫描速度向电位负方向扫描．测试出点蚀环状　曲线：从曲线上可得出点蚀击穿电位Ｅｂ值。并　采用扫描电子显微镜（ＳＥＭ）观察与拍摄试验钢　的点蚀形貌照片．又通过扫描隧道显微镜　（ＳＴＭ）的观测，获取试验锕的超高分辨三维点　蚀形貌图象　。　试验钢的点蚀Ｅ—Ｉ曲线见图３＝其腐蚀电位　Ｅｃｏｒｒ和点蚀击穿电位Ｅｂ值见表４。其腐蚀电流小　。－】　’　ｌ　：．．．．　ｌ　●　＿　ｌ　ｌ　图３试验钢的点蚀环状Ｅ．Ｉ曲线　表４试验钢的Ｅｃｏｒｒ和Ｅｂ值　材料　热址理　Ｆ（ｑ　ｍｖ　Ｅｈ　ｍＹ　驰钢　ｌＯ５。　…２ｈ　２０９　Ｌ『５　儿５。ｕｃ×２ｈｗｃ　『４０　『ｏ。５　于Ｃ１５钢．说明试验钢的抗点蚀性能明显好于　Ｃ１５钢，这一结果亦可从试验钢点蚀形貌的ＳＥＭ　照片（见图４）和ＳＴＭ照片（见图５）得到印证＝　试验钢在扫描电子显微镜下（１　５００　Ｘ）可观察到　一些小的不规则的黑点，这是由于在电流作用下　停留时间较长，表面膜选择性地被溶解掉一部　分，暴露出一点点黑色的基体，但未发现明显的　浸蚀坑，为此将新型钢点蚀试样由进口的Ｎａｎｏ　［１１（ＳＴＭ／ＡＦＭ）扫描成象，得到了其点蚀形貌　的ＳＴＭ三维立体象（由微机图象处理软件完　成），扫描范围为１０００ｎｍ×１０００ｎｍ（即ｌ×　１　ｍ），坑沟的平均探度约为　ｕ，　１４３　３ｒｉｍ　。而　Ｃ１５　钢点蚀形貌的ＳＥＭ照片表明，其点蚀坑比试验钢　大而多，通过ＳＴＭ小范围（扫描范围４００×　４００ｎｍ）扫描成象可见，深色的沟、坑深度约为　１４３９．３ｒｉｍ。由此可以说明，试验钢具有比Ｃ１　５钢　更好的抗点蚀性能。这是因为试验钢的含碳量很　低，该钢经固溶处理后碳化物全部固溶于基体　中，其组织均匀，因此其钝化膜上的薄弱位置　少，减少了ｃｌ离子在表面的吸附和进入钝化膜　的机会，防止了钝化膜的破坏．抑制了点蚀孔的　形成。此外，由于较高的ｓｉ也有阻止点蚀　Ｌ的　生核和促使其再钝化的作用，因此该钢具有较高　的点蚀稳定性。　图４试验铜点蚀形貌的ＳＥＭ照片×１０００　维普资讯 http://www.cqvip.com

３０　上海金属　第２４卷　大限度地降低ｃ、Ｍｎ、Ｐ、Ｓ含量。　（２）试验钢的铸态组织为在ｎ铁索体的基体　上分布有一定量的７奥氏体：经１０５０℃×２ｈ水　冷固溶处理后，其组织明显细化与均匀化，　相　有减少的趋向。　（３）从点蚀试验结果和点蚀形貌观察表明，试　验钢具有比含Ｍｏ高的Ｃ１５钢更好的抗点蚀性能。　（４）通过ＳＴＭ的观察，获得了更为真实的　超高分辨三维点蚀形貌图象，为点蚀的深＾研究　提供了可能。　（５）可以认为试验钢是一种抗专蚀性能好，　成本低的不锈钢种，应用前景乐观。　参考文献　Ｌ１秦紫瑞，李隆盛．于勇　高镶铬铸造不锈钢的局部腐蚀研　究｛匕工机械１９８５，１４（５）：５４—５９　［２］郭宁，夏德宽，吴世法等光子扫描隧道显微镜ｔＰＳＴＭｊ的研制　与样品显徽戚象技术物理１９９３，２２（１２　Ｊ：６７９～６８３　【３　Ｊ　ｗ　ｄｅ　ＢＥ　Ｔｈｅ　ｉｌｄ］ＦｌｅＢＣｅ　ｏｆ　ｓｉ］ｉｃｏｎ　Ｏ１１　ｔｈｅ　ｐｉｔｔｉｎｇ　ｔｏｒｓｉｏｎ　ｒｅｓｉ￣ｌａｎｅｅ　ｏｆ】８Ｃｒ－８３，ｉ　９ｔｍｎｌ…Ｌ　ｌ　Ｃｑ…ｎｎ　１９８６　４２　３）　图５试验铜点蚀形貌的ＳＴＭ照片Ｘ　５０００　１４９一ｌ５ｌ　５结论　［４］秦紫瑞．李隆盛，周文龙等低碟商硅高镰铬不锈钢的组　（１）试验钢的化学成分设计是以ｃｒ、ｓｉ的　职且其局部腐蚀行为．铸造技术１９８８，ｌｌｊ：８一ｌ】　复台钝化为基础，加入适量的　相配合、并最　收稿日期：２ｏ０１　Ｏ２．１９　：一一一’　・信息报导：　．．一．　．．．．ｊ　日本开发加工性能良好的汽车用高强度钢板　从汽车受冲击的安全性和减轻车体重量出　Ｏ　２１％时，加热温度１２０￣３ｑｃ时铁索体晶粒从　发，日本汽车业要求使用５７０ＭＰａ级和７８０ＭＰａ级　１２Ｖｍ降低到５Ｖｍ以下。充分利用奥氏体区域动　高强度热轧钢板。但通常提高了钢板强度其延伸　态再结晶，最终可使铁素体晶粒细化：因此，可　率和扩　Ｌ率则降低影响成形性能。为此日本川崎　同时提高热轧钢板的强度和成形性能。　制铁公司研究了同时提高钢板强度和成形性的基　根据上述研究结果，在千叶制铁所热轧带钢　础性研究，从而开发出汽车用加工性能良好的高　厂开发出添加ｌｒｉ元素的５７０ＭＰａ和７８０ＭＰａ级高　强度钢板。　强度热轧钢板，经检验新开发的热轧钢板铁素体　该公司在试验室条件下研究了在低碳钢中添　晶粒尼寸２　以下，延伸率２２％～２４％，扩孔　加不同Ｔｉ含量对动态再结晶的影响，采取试样　率７Ｏ％～８５％，完全可以满足汽车行业材料的　进行压缩试验做出实际应变和实际应力曲线。添　需要。　加　时实际应力出现最大值与动态相变的关系，　张朝生　摘自《耋　ｙ南》２００１．４０（１）：　添加　的钢板经过轧制加工后的晶粒大小与加　８２～８４　热温度有关；随着ｎ含量由０　０５％增加到