摘 要:2205雙相不銹鋼因具有高耐腐蝕性,在進行材料性能評定時,其顯微組織很難快速、清 晰地顯現出來。在現有雙相不銹鋼腐蝕方法的基礎上,采用草酸、碳酸氫鈉、硝酸和甘油的配方,對 腐蝕液進行優化,運用電解腐蝕的方法,可以在短時間內得到清晰的雙相不銹鋼顯微組織。
關鍵詞:2205雙相不銹鋼;金相檢驗;耐腐蝕性;電解腐蝕;顯微組織
中圖分類號:TG178 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2022)05-0004-03
2205(022Cr23Ni5Mo3N)雙 相 不 銹 鋼 是 第 二 代新型含氮雙相不銹鋼,經過固溶處理后,其組織 中鐵素體和奧氏體含量大致相同,均由鉻元素(質 量分數為22%)、鎳元素(質量分數為5%)等主要 元素構成。由于雙相不銹鋼中同時存在奧氏體與 鐵素體,因此與單純的奧氏體不銹鋼相比,晶間腐 蝕傾向更小。由于雙相不銹鋼在敏化溫度范圍內 加熱時,Cr23C6 未在奧氏體晶界析出,而先在鐵素 體內析出,這就使得鉻化物不會在晶界處聚集,從 而造成嚴 重 的 貧 鉻 現 象。此 外,雙 相 不 銹 鋼 的 耐 腐蝕性也高于奧氏體不銹鋼,由于2205雙相不銹 鋼的兩相含 量 幾 乎 相 同,在 許 多 介 質 中 能 達 到 鈍 化 狀 態,故 而 有 較 好 的 耐 腐 蝕 性[1-2],但 優 秀 的 耐 腐蝕性卻導致雙相不銹鋼在金相檢驗中很難得到 清晰的顯微組織。
1 金相檢驗及原有腐蝕方法
1.1 金相檢驗方法
雙相不銹鋼經切割→鑲嵌→磨制→拋光后得到 磨面平整光滑、沒有磨痕和變形層的金相試樣,用適 當的化學或物理方法對試樣的拋光面進行腐蝕,從 而在金相顯微鏡下可以清晰地顯示出金屬與合金的 內部組織,這個過程稱為金屬材料的金相檢驗[3]。
1.2 金屬材料的電化學腐蝕機理
1.2.1 電化學腐蝕原理
從廣義上講,金屬材料的電化學腐蝕是指金屬 與導電介質因發生電化學作用而造成的破壞,也可 以認為其是依靠腐蝕電池的陰、陽極反應而進行的 腐蝕過程。在生活中,金屬材料的電化學腐蝕處處 可見,如橋梁鋼架及露天放置的金屬設備在潮濕大 氣中的腐蝕,船體、碼頭及海上采油平臺在海水中的 腐蝕等。
1.2.2 電解的作用
電解是指在外加直流電源的作用下,電流通過電解質溶液引起電解池的陰、陽兩極上發生化學變 化,從而將電能轉化為電解產物儲藏的化學能的過 程。電解時,電解質中的陰、陽離子分別向電解池的 正、負極,即陽、陰極移動,并分別在電極上得、失電 子發生氧化還原反應[4]。
電解侵蝕是基于電化學溶解的作用,被侵蝕的 試樣作為陽極,不銹鋼作為陰極,容器中盛放電解 液,當接通電流后,由于各相之間與晶粒之間的析出 電位不一致,在微弱電流作用下各相的侵蝕程度不 同,從而顯示各相的組織。
1.3 金相檢驗原有的腐蝕方法
GB/T26956—2011 《金屬材料焊縫破壞性試 驗 宏觀和微觀檢驗用侵蝕劑》中規定的侵蝕劑能使 普通的不銹鋼形成較清晰的顯微組織,對于雙相不 銹鋼、超級雙相不銹鋼和鎳基合金等耐腐蝕性較強 的材料,其腐蝕效果往往無法達到要求[5]。
常用的雙相不銹鋼腐蝕方法有以下4種。
(1)5g氯化高鐵、50 mL 鹽酸和100 mL 水, 在室溫(10~35 ℃)或者加熱情況下使用。這種方 法耗時長,鹽酸加熱會產生毒性物質,對人體傷害 大。鹽酸的購買、運輸、儲存及處理都有很高要求。
(2)熱腐蝕法:將10~15g鐵氰化鉀、10~30g 氫氧化鈉和100mL 水混合作為侵蝕劑,將侵蝕劑 煮沸后侵蝕試樣5~10 min。這種方法操作復雜, 容易過度侵蝕,侵蝕得到的顯微組織效果不好。
(3)中國專利cn107976459a公開了一種雙相 不銹鋼金相腐蝕方法:采用體積分數為10%~20% 的高氯酸酒精溶液電解拋光20~30s,電壓為10~ 20V,電流為1~2A;中國專利cn103924246a公開 了一種雙 相 不 銹 鋼 金 相 腐 蝕 方 法:侵 蝕 劑 含 鹽 酸 0.065~0.125g/mL,偏 重 亞 硫 酸 鉀 0.017 ~ 0.029g/mL,在保溫條件下侵蝕10~20min。以上 兩種方法均操作復雜,所用高氯酸、偏重亞硫酸鉀危 險性較高。特別是高氯酸,有強氧化性和腐蝕性,與 有機物、還原劑、易燃物等接觸或混合時有燃燒、爆 炸的危險。
(4)中國專利cn103123318a公開了一種雙相 不銹鋼金相腐蝕液:使用鹽酸、苦味酸與無水乙醇的 體積 比 為 5∶1∶100 的 溶 液 進 行 侵 蝕;中 國 專 利 cn106248460a公開了一種雙相不銹鋼金相腐蝕方 法:用質量分數為0.05%~0.3%,pH 不大于2的三 氯化鐵、鹽酸水溶液對試樣進行侵蝕,再經 450~ 550℃加熱、保溫、冷卻。以上兩種方法所得到的顯微組織兩相區分度均不高,且被腐蝕相為黑色,與不 銹鋼中常出現的碳化物等無法區分;苦味酸具有強 烈的苦味,高溫、接觸明火、振動、撞擊等都會使其發 生爆炸,且可引起慢性中毒,危害人體健康。此外, 以上兩種方法也容易出現過度侵蝕的情況。
2 電解腐蝕新方法驗證試驗
2.1 試驗材料及設備
試驗主要使用的設備有電解腐蝕裝置、整流器 (電壓為1~12V,電流為0~100A)、掃描電子顯微 鏡(SEM)、光學顯微鏡。主要試驗材料有草酸、碳 酸氫鈉、濃硝酸。
2.2 試驗過程
(1)將待腐蝕試樣用120~2000目砂紙逐級 打磨 后,用 3.5μm 和 1μm 的 金 剛 石 研 磨 膏 拋 光[6]。
(2)取適量草酸,加少量去離子水溶解,取適量 碳酸氫鈉,緩慢加入溶液并攪拌,等待溶液中的氣泡 平靜后,加熱至微沸并攪拌。待溶液均勻后用移液 管緩慢 加 入 少 量 濃 硝 酸,使 用 去 離 子 水 定 容 至 500mL,最后加入少量甘油,并靜置1h。其中硝酸 與甘油只需要少量即可,草酸與碳酸氫鈉的質量比 約為1∶1。
(3)將配置好的腐蝕液放入自制電解腐蝕裝 置,被腐蝕面面對腐蝕金屬板,電壓調整為5V,對 試樣進行電解腐蝕。15s后將試樣取出,一邊用棉 花輕輕擦拭,一邊用去離子水沖洗。
2.3 試驗結果
將腐蝕產物清洗干凈后,用酒精噴撒試樣的被 腐蝕面,并吹干。采用光學顯微鏡觀察試樣,其微觀 形貌如圖1所示。從圖1可以看出:試樣中的奧氏 體未被腐蝕(凸出,淺灰),鐵素體被腐蝕(凹下,白 色),邊界有少量的碳化物;試樣顯微組織清晰,兩種 組織和碳化物區分明顯。
采用 SEM 對 試 樣 的 被 腐 蝕 面 進 行 觀 察,其 SEM 形貌如圖2所示。從圖2可以看出:試樣的奧 氏體和鐵素體的凹凸顯示明顯,可以清楚地感受到 立體效果。
3 結語
(1)草酸、碳酸氫鈉和甘油都是較安全且無毒 的化學品,易于購買;硝酸雖然是強酸,但是相較于 鹽 酸和硫酸,使用硝酸降低了實驗室在管制化學藥品的硬件投入和日常管理投入。
(2)電解腐蝕試驗是在常溫下進行的,無需加 熱,整個過程中不產生酸霧,不產生有毒、有刺激性 的化學物質,對人體的傷害較輕。
(3)配置腐蝕液所采用的化學品濃度均較低, 試驗中電流及電壓較小,提高了試驗的安全性。電 解腐蝕時間短,腐蝕液可以重復使用,提高了工作 效率。
(4)對于除2205鋼之外的其他雙相不銹鋼,可 以采用適當延長或者降低電解腐蝕時間的方法來獲 得清晰的顯微組織。
參考文獻:
[1] 王健.2205雙相不銹鋼的點蝕及再鈍化行為[D].大 連:大連理工大學,2015.
[2] 王雅倩.2205雙相不銹鋼在井下環境中的耐蝕性能 研究[D].西安:西安石油大學,2018.
[3] 機械工業理化檢驗人員技術培訓和資格鑒定委員會, 中國機械工程學會理化檢驗分會.金屬材料金相檢驗 [M].北京:科學普及出版社,2015.
[4] TALBOT DEJ,TALBOTJD R.Corrosionscience andtechnology[M].BocaRaton:CRCPress,2007.
[5] 張秀荷,代緒成,劉宏,等.電解腐蝕技術在耐蝕合金 焊接接頭低倍金相制樣中的應用[J].焊管,2019,42 (11):41-45.
[6] 劉釗,梁寧.2205雙相不銹鋼微觀組織性能研究[J]. 一重技術,2021(2):47-52.