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固溶和穩定化處理后Zr-Mo微合金化310S不銹鋼的顯微組織和耐腐蝕性能

2018-11-21 11:45:26 作者：劉桂良來源：《機械工程材料》分享至：

310S（0Cr25Ni20）不銹鋼是高鉻鎳奧氏體耐熱不銹鋼，具有比傳統鋯合金更加優異的耐腐蝕性、抗氧化性和高溫力學性能，同時較高的鉻和鎳含量使其具有比鎳基合金更低的輻照脆化傾向，但是，現有的商用310S不銹鋼尚不能完全滿足SCWR燃料包殼材料的性能要求，而通過添加微量合金元素對其進行微合金化改性，是提高其力學性能和耐腐蝕性能的一種有效途徑。

因此，作者通過添加鋯、鉬微量元素對310S不銹鋼進行微合金化處理，研究了熱處理工藝對新型Zr-Mo微合金化310S不銹鋼顯微組織和耐腐蝕性能的影響。

試樣制備與試驗方法

1試樣制備

采用中頻真空感應熔煉爐熔煉Zr-Mo微合金化310S不銹鋼，其化學成分如表1所示。采用空氣錘對所得鑄錠進行鍛造，為防止在鍛造過程中發生增碳和氧化，在鑄錠表面均勻涂刷一層氧化釔，加熱溫度為1050℃，保溫時間1.5h，鍛造比為5。

表1 試驗鋼的化學成分（質量分數）

采用東北大學軋制技術及連軋自動化國家重點實驗室研制的？450mm熱軋試驗機組對鍛坯進行熱軋，工藝參數見表2。

表2 熱軋工藝參數

在熱軋板上截取尺寸為5mm×5mm×7.8mm的試樣，分別進行不同溫度固溶處理和1150℃固溶處理＋不同溫度穩定化處理，具體的熱處理工藝如表3所示。

表3 試驗鋼的熱處理工藝

2試驗方法

熱軋態試樣和不同熱處理態試樣經打磨、拋光后，用體積分數10％草酸溶液進行電解腐蝕，清洗后在LEICA DMIRM型倒置光學顯微鏡（OM）上觀察顯微組織，采用SUPRA55型掃描電鏡（SEM）及附帶的能譜儀（EDS）進行微觀形貌觀察和物相組成分析。

對4#，5#，6#，7#試樣進行650℃×10h的敏化處理并重新打磨、拋光、清洗后，采用CHI660E電化學工作站測電化學Tafel極化曲線，用電化學雙環動電位再活化（DL-EPR）試驗和草酸電解浸蝕試驗分析不同熱處理工藝下試驗鋼的晶間腐蝕敏感性，通過計算再活化電流密度（Ir）與活化電流密度（Ia）的比值得到不同熱處理工藝下試樣的再活化率，分析試樣的晶間腐蝕敏感性。試驗結束后，將試樣洗凈吹干，在SUPRA55型掃描電鏡上觀察腐蝕形貌。

試驗結果與討論

1固溶處理前后的顯微組織

圖1 熱軋態試驗鋼的SEM形貌

由圖1可知：熱軋態試驗鋼組織中奧氏體晶粒的變形非常劇烈，晶粒呈碎塊狀或扁條狀，大部分晶界已經斷裂、碎化，輪廓清晰的完整晶粒很少；組織中存在少量尺寸5μm左右的形狀規則的塊狀析出相和條形析出相，同時還彌散分布著一些白色的小顆粒；組織中存在大量大小不均的孔洞，可能與原始鑄態組織中夾雜物、疏松和析出物的脫落有關。

表4 熱軋態試驗鋼中不同位置（如圖1所示）的EDS分析結果（質量分數）

由表4可知，熱軋態試驗鋼組織中的條狀析出相為（Zr，Mo）C相，形狀規則的塊狀析出相為Zr（C，N）相。

圖2 不同溫度固溶處理后試驗鋼的顯微組織

圖2可以看出：不同溫度固溶處理后，試驗鋼中原熱軋變形晶粒均發生了再結晶，形成了晶界清晰、光滑、平整且大小較均勻的等軸晶；隨著固溶溫度的升高，晶粒尺寸略有變大，但均為50~80μm，晶粒度在4~6級；此外，不同溫度固溶處理后，試驗鋼組織中均存在大量的退火孿晶，包括貫穿晶粒的完整退火孿晶和一端終止于晶內的不完整退火孿晶。

圖3 不同溫度固溶處理后試驗鋼的SEM形貌

由圖3可以看出：不同溫度固溶處理后，試驗鋼的組織均為單一的奧氏體，奧氏體基體中除了存在彌散分布的白色細小碳化物外，還存在3種未溶于奧氏體的析出相，分別為尺寸2~5μm的規則的灰白色塊狀析出相，1~4μm長的白色條狀析出相，以及直徑0.5~1μm的細小球形顆粒。

表5 不同溫度固溶處理后試驗鋼中不同位置（如圖3所示）的EDS分析結果（質量分數）

由表5可以看出，白色條狀析出相和細小球形顆粒均為（Zr，Mo）C相，而塊狀析出相為Zr（C，N）相。綜上可知，試驗鋼經不同溫度固溶處理后，其顯微組織、析出相等基本相同，但考慮到碳化物的固溶程度，確定試驗鋼的最佳固溶溫度為1150℃。

2穩定化處理前后的顯微組織

由圖4并對比圖2（c）可以看出，經不同溫度穩定化處理前后，試驗鋼組織中的晶粒基本沒有長大，平均晶粒尺寸在50~80μm。

圖4 1150℃固溶＋不同溫度穩定化處理后試驗鋼的顯微組織

圖5 1150℃固溶＋不同溫度穩定化處理后試驗鋼的SEM形貌

由圖5并對比圖3（e）~圖3（f）可以看出：不同溫度穩定化處理前后，試驗鋼組織中的析出相明顯增多，但其形貌略有不同；950℃穩定化處理后，試驗鋼組織中的晶界上析出了大量鏈球狀顆粒，晶內和晶界上還有一些因析出物剝落而留下的形狀較為規則的剝落坑；1000，1050℃穩定化處理后，試驗鋼的組織相似，晶界和晶內均存在球形顆粒、條狀析出相和一些形狀規則的灰白色塊狀析出相。

表6 1150℃固溶＋不同溫度穩定化熱處理后試驗鋼中不同位置（如圖5所示）的EDS分析結果（質量分數）

由表6可知：950℃穩定化處理后，試驗鋼組織中的鏈球狀顆粒為M23C6（M為Fe或Cr），1000，1050℃穩定化處理后，試驗鋼組織中的球形顆粒和條狀析出相為ZrC和少量鉬的碳化物，這些析出相的生成會降低附近的碳含量，減少Cr23C6相的析出，這有利于提高試驗鋼的耐晶間腐蝕能力，而形狀規則的灰白色塊狀析出相是富鋯的Zr（C，N）相。富鋯Zr（C，N）相中的大部分鋯不與碳結合，因此不能充分發揮鋯對碳元素的穩定作用，導致對試驗鋼的耐晶間腐蝕能力產生不利影響。由剝落坑的形狀可以判斷出，950℃穩定化處理后，試驗鋼組織中的剝落坑是由富鋯Zr（C，N）相的剝落而形成的。

3耐均勻腐蝕性能

圖6 不同溫度穩定化處理前后試驗鋼的Tafel極化曲線

圖6中的E為電位，i為電流。由圖6可知：不同熱處理后試驗鋼Tafel曲線的形狀基本相同，其活化區、過渡區、鈍化區、過鈍化區都很明顯；鈍化區的電位基本都在0.2~0.9V范圍，且鈍化區的電流都存在微小的波動，當工作電極的電位達到試驗鋼的自腐蝕電位時，電流最低。

表7 由擬合Tafel極化曲線得到不同溫度穩定化處理前后試驗鋼的電化學參數

由表7可知，不同熱處理后試驗鋼的自腐蝕電位均在－0.404V左右，自腐蝕電流密度均在3.973×10－5~5.088×10－5A·cm－2，波動范圍很小，這說明不同熱處理后，試驗鋼在0.5mol·L－1 H2SO4＋0.01mol·L－1KSCN水溶液中的耐均勻腐蝕性能非常接近。綜上可知，950~1050℃的穩定化處理對該不銹鋼的耐均勻腐蝕性的影響很小。

4耐晶間腐蝕性

能由計算結果可知，經1150℃固溶處理以及1150℃固溶并分別經950，1000，1050℃穩定化處理后，試驗鋼的再活化率分別0.007，0.130，0.066，0.011。

圖7 DL-EPR試驗結束后不同溫度穩定化處理前后試驗鋼經草酸浸蝕后的SEM形貌

由圖7可以看到：隨著穩定化溫度的升高，試驗鋼的耐晶間腐蝕能力變強，這與DL-EPR試驗得到結果相同；1150℃固溶后試驗鋼中幾乎不存在腐蝕溝，只能觀察到晶界和孿晶，說明固溶態試驗鋼中沒有發生晶間腐蝕；950℃穩定化處理后，試驗鋼組織中的晶粒被腐蝕溝完全包圍，屬于溝狀組織；1000，1050℃穩定化處理后，試驗鋼組織中部分界上有腐蝕溝存在，屬于混合組織，但1050℃穩定化處理后試驗鋼中的腐蝕溝更少，沒有晶粒被完全包圍。

綜上可知，固溶態試驗鋼經950，1000℃穩定化處理后，其耐晶間腐蝕性能降低，當穩定化溫度升高至1050℃，試驗鋼的耐晶間腐蝕性能與固溶態的接近，這說明該不銹鋼的穩定化處理溫度應不低于1050℃。傳統不銹鋼在溫度高于900℃時一般不會有M23C6相析出，但該不銹鋼在950℃穩定化處理后的組織中觀察到了大量M23C6相，這說明鋯和鉬元素的添加對該不銹鋼的相變溫度有較大的影響。同時，微合金化310S不銹鋼中的氮元素會對其性能產生不利的影響，這是由于在高溫加熱時，氮元素會和微合金元素形成體積很大的塊狀Zr（C，N）析出相，這些粗大的析出相不僅對不銹鋼的高溫力學性能產生不利的影響，還會降低鋯對碳元素的穩定作用，減少細小彌散的ZrC相的析出量，從而降低不銹鋼的耐晶間腐蝕能力，因此，在不銹鋼的制備和加工過程中應嚴格控制氮元素的含量。

結論

（1）不同溫度固溶處理后，試驗鋼的顯微組織均為均勻的奧氏體等軸晶，且晶粒內有大量退火孿晶，晶界或晶內形成條狀或球狀（Zr，Mo）C析出相和塊狀Zr（C，N）析出相；1150℃固溶＋不同溫度穩定化處理后，試驗鋼的顯微組織與固溶態的相似，但析出相數量增多，且在950℃穩定化處理后，晶界上析出了大量的鏈球狀M23C6相。

（2）950~1050℃穩定化處理對試驗鋼的耐均勻腐蝕性能影響不大；隨著穩定化溫度的升高，試驗鋼的耐晶間腐蝕能力增強，當穩定化溫度達到1050℃時，耐晶間腐蝕能力與固溶態的基本相當。

（3）氮元素與鋯元素形成的粗大Zr（C，N）相會降低鋯對碳元素的穩定作用，減少細小彌散的ZrC析出相的數量，降低不銹鋼的耐晶間腐蝕能力，在不銹鋼的制備和加工過程中應嚴格控制氮元素的含量。

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責任編輯：韓鑫

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