羅宏^1，2，李孟發¹，李新躍^1，2，鄭興文²，喻蘭英^1，2

　　1四川理工學院材料與化學工程學院,自貢,643000

　　2材料腐蝕與防護四川省高校重點實驗室,自貢,643000)

　　Email:luohong28@163.com, 513920404@qq.com, lixinyueqw@yahoo.com.cn, yyj1557@163.com

　　作者簡歷

　　羅宏，男，1970年2月8日出生，教授，碩士研究生導師，四川理工學院材料與化學工程學院材料系主任。1992年畢業于浙江大學金屬材料專業本科，2007年畢業于四川理工學院材料腐蝕與防護專業碩士研究生。主要研究方向為金屬熱處理工藝和腐蝕與防護，對 2205雙相不銹鋼及其復合板的耐蝕性和熱處理工藝有深入研究。

　　現為材料腐蝕與防護四川省重點實驗室學術委員會委員，全國金相與顯微分析學會理事，高級職業金相師，全國熱處理學會會員，《熱加工工藝》(中文核心期刊)特約編委。在國內外發表關于金屬材料的熱處理、腐蝕與防護、理化檢驗等方面論文30多篇，其中SCI、Ei收錄論文10篇，獲得發明專利2項。主持《生物質燃料秸稈鍋爐過熱器高溫耐蝕金屬材料研究》、《鈦材在真空制鹽工藝中的應用及其腐蝕行為研究》、《焊絲盤條拉拔后退火工藝研究》等省部級、地廳級科研課題12項，作為主研參與國家中小型企業創新基金項目。
 

　　摘 要：為研究2205雙相不銹鋼中σ相的析出規律和機理及其對耐孔蝕性能的影響。對經固溶處理后的試樣在650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃分別保溫0.5h、1h、2h、5h進行熱處理，另在850℃保溫134s、10h、12h進行熱處理，均采用水冷。用金相顯微鏡(OM)和掃描電子顯微鏡(SEM)觀查了熱處理后試樣的微觀組織和表面形貌；用X射線衍射儀(XRD)進行物相鑒定；用電子背散射掃描(EDS)法檢測了σ相析出周圍主要元素含量；用動電位掃描法測定了經不同熱處理的試樣在3.5%NaCl、30 ± 0.5℃的溶液中的陽極極化孔蝕環掃描曲線，以評定σ相析出對材料耐孔蝕性能的影響。結果表明：σ相最初在鐵素體與奧氏體的界面處形核，隨后向富含σ相形成元素的鐵素體內部長大，其長大機理為α相發生共析轉變，生成σ相和新生奧氏體相；850℃保溫134s即可看到有少量的σ相析出，隨著溫度的升高和保溫時間的增加，σ相增多，850℃保溫10h時達到最大值；σ相的析出越多，孔蝕環面積的越大，2205雙相不銹鋼的孔蝕傾向增大，在850℃保溫10h孔蝕環面積最大，孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值達到912mV，耐孔蝕能力最差。

　　關鍵詞：2205雙相不銹鋼；σ相；孔蝕

1 引言

　　2205雙相不銹鋼具有奧氏體不銹鋼和鐵素體不銹鋼相的優點。奧氏體的存在，降低了高鉻鐵素體鋼的脆性，防止了晶粒長大傾向，提高了鐵素體鋼的韌性和可焊性;鐵素體的存在，使其具有比奧氏體不銹鋼更高的強度和更優良的耐蝕性能，因此，2205雙相不銹鋼正越來越多地用于化工、化學、石油和造紙等工業領域。但是，該鋼種在600-1000 ℃溫度范圍內易于形成金屬間相，如σ 相、χ相、R 相、以及各種碳氮化物等，這些相的析出會顯著降低雙相不銹鋼的耐蝕性、力學性能以及焊接性能，其中σ 相是危害最大的一種析出相。σ相是一種含高Cr、Mo的Fe-Cr(-Mo)金屬間化合物，屬于四方結構，它硬且脆，可明顯降低鋼的韌性、塑性;同時因其富鉻，故在其周圍往往出現貧鉻區或由于它本身的溶解而使鋼的耐腐蝕性能降低^[1-5]。因此對2205雙相不銹鋼中σ相的研究顯得尤為重要，本文主要研究了2205雙相不銹鋼中σ相的析出規律和機理及其對耐孔蝕性能的影響。

2 實驗

　　2.1 試樣及熱處理工藝

　　實驗材料為2205雙相不銹鋼，試樣尺寸為7.5mm×7.5mm×2mm，其化學成分(mass%)為：C 0.022%，Cr22.6%， Ni5%，Si0.001%，Mn1.48%，P≤0.02%，S≤0.001%，先進行固溶處理，固溶處理工藝為1070℃，保溫40min，水冷。對經固溶處理后的試樣在650℃、700℃、750℃、800℃、850℃、900℃、950℃分別在SX-4-10型箱式電阻爐中保溫0.5h、1h、2h、5h進行熱處理，另在850℃保溫134s、10h、12h進行熱處理，均采用水冷。試樣經200#、320#、400#、600#、800#金相砂紙磨光后采用1μm的Al₂O₃拋光。

　　2.2微觀組織觀察

　　將試樣用Murakami浸蝕劑浸蝕在90℃浸蝕60min，采用NIKON EPIPHOT200光學顯微鏡(OM)、電子掃描電鏡(SEM)觀察2205雙相不銹鋼中σ相的形貌，分析析出規律。

　　2.3 物相鑒定

　　用DX-2600型X射線衍射儀(XRD)對850℃保溫12h的試樣進行物相鑒定，以確定相組成;采用EDS法檢測σ相析出周圍主要元素含量。

　　2.4電化學實驗

　　采用標準的三電極體系，2205雙相不銹鋼試樣為工作電極，工作面積為7.5mm × 7.5mm，輔助電極為金屬Pt電極，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，采用2273PARSTAT電化學綜合測試系統，掃描速度為20 mV /min用動電位掃描法，測定了經不同熱處理的試樣在3.5%NaCl、30 ± 0.5℃的溶液中的陽極極化孔蝕環掃描曲線，孔蝕環的面積越大，孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值越大，不銹鋼的孔蝕抗力越低。

3 實驗結果與討論

　　3.1表面形貌和顯微結構分析

　　圖1為經過固溶處理的2205雙相銹鋼的金相顯微組織，圖2為經不同溫度時效處理后2205雙相不銹鋼的SEM圖?？梢钥闯?，固溶處理為鐵素體α與奧氏體γ組織，大約各占約一半，一般認為具有這種相比例的2205雙相不銹鋼具有較好的綜合性能。在圖2中原樣的SEM圖上也可以看到，除α和γ兩相組織外，并不包含其他相，α/γ界面處并未發現有黑色相析出。在650℃加熱5h的試樣，α與γ相界面處明顯出現了黑色的析出相，原本平滑的晶界開始變成鋸齒狀，這是σ相析出早期的重要特征。σ相最初沿著兩相相界面呈一條黑線分布。750℃時，α和γ兩相界面變得模糊，呈珊瑚狀，說明σ相已經開始向α相內部生長。850℃時σ相不在呈一條線分布，在鐵素體內部明顯存在黑色相，這表明已有部分α相轉變成了σ相，950℃保溫5h后，σ相減少。隨著熱處理溫度的升高，σ相析出量增大，在850℃時達到峰值，這說明850℃是σ相析出極為敏感的溫度。這主要是因為合金元素在鐵素體內的擴散速率較大，同時在850℃保溫時使鐵素體穩定元素Cr和Mo快速地富集到了σ相中，同時奧氏體形成元素Ni向鐵素體中擴散，導致鐵素體中Cr元素富集，鐵素體變得極不穩定，很快轉變成一種新的相，即σ相。但是，在600 -1000 ℃這樣的溫度范圍內，元素的遷移速度和遷移量是很有限的，所以σ相只是少量的析出，超過1000℃時元素會重新固溶到鐵素體和奧氏體中，σ相溶解。

圖1不同溫度時效處理后2205雙相不銹鋼的顯微組織　
　

圖2 不同溫度時效處理后2205雙相不銹鋼的SEM圖

　　3.2 σ相析出機理探討

　　從不同溫度時效處理后2205雙相不銹鋼的掃描電鏡觀測圖中可以清楚地看到，同樣是在Murakami腐蝕劑中浸蝕，原樣的腐蝕程度遠遠沒有其他試樣的嚴重。原樣的SEM圖顯示，α相和γ相都呈連續的整塊分布，甚至可以看到試樣打磨留下的劃痕，α相與γ相兩相界面處也十分光滑，并沒有發現有其他相的存在。而在850℃僅僅保溫134s，兩相界面處部分變得模糊，這說明了此時已經有極其少量的σ相生成。750℃保溫5h的SEM圖顯示，兩相界面處已經發生嚴重腐蝕，同時在α相內部有微孔出現，這說明了α相內部已經發生點腐蝕。850℃保溫12h時，α相已經變得斷斷續續，這主要是因為α相的析出導致了2205雙相不銹鋼耐蝕性降低，當隨著保溫時間的加長α相內部σ相急劇增加時，其周圍因貧鉻貧鉬而發生腐蝕，即α相內部也發生嚴重腐蝕，從而導致α相斷斷續續分布。但值得注意的是，α相內部不僅僅是因為σ相的析出發生了嚴重腐蝕而導致了α相斷斷續續分布，而同時生成了一種與γ相腐蝕性相當的相，從而才能將原本呈連續整塊狀分布的α相分割開來。因為新生成相在金相顯微鏡和掃電子顯微鏡下觀察與γ相并沒有太大的差異，同時因其合金元素的含量，不可能與母材中γ相完全一樣，所以姑且把它命名為新生奧氏體，即γ' 。因此σ相在鐵素體內部形成的機理可以解釋為α的共析轉變，即α→σ+γ'[ ]，其中γ'結構和具體元素含量還有待研究。#p#副標題#e#

　　3.3 σ物相分析

　　表1為EDS對組成相的化學成分分析，可以看出σ相中Cr、Mo元素的質量分數分別為31.31%、6.24%，遠遠超過了基體中Cr、Mo的含量。說明σ相本身就是一種富Cr富Mo相，它的析出必然會造成周圍組織貧鉻貧鉬，從而嚴重影響基體原有的耐孔蝕性能。圖3為試樣經850℃加熱2 h熱處理后的XRD 分析圖，可見組成相為鐵素體α、奧氏體γ和σ相。

　　表1 2205雙相不銹鋼850 ℃時效12h各相化學成分(wt.%)

　　圖3 2205 雙相不銹鋼850℃熱處理12h析出相的XRD 分析

　　3.4 電化學分析結果討論

　　2205雙相不銹鋼在3.5%NaCl、30 ± 0.5℃的溶液中測定的陽極極化孔蝕環掃描曲線和孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值分別見圖4和表2?？梢钥闯?，原樣得孔蝕環面積和孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值最小，耐孔蝕能力最好，隨著溫度的升高，σ相的析出量增大，使得孔蝕環面積增大，孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值增大，抗孔蝕能力降低。其中850℃、保溫10h處理后試樣孔蝕環面積最大，孔蝕電位與孔蝕回歸電位差值達到912mV，耐孔蝕能力最差。

　　圖4 2205DSS鋼試樣經不同溫度時效處理后的陽極極化孔蝕環掃描曲線

表2 2205DSS鋼試樣經不同熱處理工藝后的腐蝕電位(Ecorr)、孔蝕電位(Eb)、孔蝕回歸電位(Erp)(3.5%NaCl, 30±0.5℃)　

4 結論

　　(1) 650~950℃保溫時，隨著溫度的升高，σ相含量增加，850℃時達到峰值，加熱到950℃，σ析出相減少。

　　(2) 850℃保溫時，隨著保溫時間的增加，σ相析出增多，10h左右達到飽和。

　　(3) σ相最初在鐵素體與奧氏體的界面處形核，隨后向富含σ相形成元素的鐵素體內部長大，其長大機理為α相的共析轉變，即α→σ + γ’。

　　(4) σ相的析出降低了2205雙相不銹鋼的耐孔蝕能力，σ相的析出量越大，鋼材孔蝕傾向越大。850℃加熱保溫10h處理后，σ相析出最多，2205雙相不銹鋼的耐孔蝕性能最低。