固溶溫度對水利工程用00Cr25Ni7Mo4N雙相不銹鋼組織及性能的影響

(1. 西藏職業(yè)技術(shù)學院，拉薩 850000；2. 西藏大學，拉薩 850000)

水利工程是用于控制和調(diào)配自然界的地表水和地下水，達到除害興利目的而修建的工程。隨著近年來國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和水利工程行業(yè)的持續(xù)增長，各種水利工程新材料、新工藝和施工方法等都不斷被發(fā)掘，并在現(xiàn)代化水利工程中得以應(yīng)用，推動著我國水利工程建設(shè)的良性發(fā)展[1]。對于水利工程用鋼而言，需要經(jīng)受氣象、水文、地質(zhì)以及外加應(yīng)力作用等因素的影響，因此在實際應(yīng)用中，水利工程用鋼常常面臨著不同形式的腐蝕破壞問題，尤其是緊鄰海邊的水利工程，因受海洋大氣環(huán)境等因素影響，經(jīng)常會發(fā)生銹蝕、局部穿孔和開裂等現(xiàn)象[2]，造成材料強度降低、使用壽命縮短，甚至會給人民的生命財產(chǎn)安全造成危害。為了保證沿海水利工程的安全性和使用壽命，亟需開發(fā)出高強經(jīng)濟型耐蝕雙相不銹鋼，而相較于法國、德國和日本等國，我國在雙相不銹鋼方面的研究相對較晚[3]。太原鋼鐵集團等國內(nèi)鋼企開發(fā)出了500 MPa級2205雙相不銹鋼并在實際工程中得以應(yīng)用，但是其產(chǎn)品仍然存在著強度偏低、在惡劣環(huán)境中耐腐蝕性能不足等問題[4-5]。在此基礎(chǔ)上，本工作從固溶處理角度出發(fā)，考察了固溶溫度對新型超級雙相不銹鋼00Cr25Ni7Mo4N顯微組織、力學性能和耐腐蝕性能的影響，希望有助于高強經(jīng)濟型耐蝕雙相不銹鋼的開發(fā)，并加快其在水利工程中的應(yīng)用。

1 試驗

1.1 試樣制備

試驗材料為厚16 mm的熱軋態(tài)超級雙相不銹鋼板00Cr25Ni7Mo4N(以下簡稱雙相不銹鋼)，化學成分見表1。

表1 試驗用雙相不銹鋼的化學成分(質(zhì)量分數(shù))Tab. 1 Chemical composition of experimental duplex stainless steel (mass fraction) %

從熱軋鋼板上截取15 mm×15 mm×5 mm塊狀試樣，經(jīng)過清水沖洗、酒精超聲清洗和吹干后，在卡博萊特蓋羅GPCMA/174型熱處理爐中進行不同溫度的固溶處理，溫度設(shè)定在1 025～1 200 ℃，保溫1 h后水冷至室溫。

采用線切割方法截取熱軋態(tài)和固溶態(tài)雙相不銹鋼試樣，試樣依次經(jīng)砂紙打磨、金剛石研磨膏拋光、清水沖洗、酒精超聲清洗、吹干后備用。

1.2 測試與表征

1.2.1 顯微組織觀察

將拋光和清洗后的試樣置于15%(質(zhì)量分數(shù))氫氧化鈉溶液中電解腐蝕30 s，用奧林巴斯GX51光學顯微鏡(OM)觀察，并用附帶Pro-Imaging圖像分析軟件測定不銹鋼中雙相含量[6]。另外，將拋光和清洗后的試樣置于2.5 g高錳酸鉀+8 mL濃硫酸+92 mL去離子水混合溶液中進行48 ℃水浴加熱，然后在奧林巴斯GX51光學顯微鏡上觀察晶粒尺寸。

1.2.2 力學性能測試

依據(jù)GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分 室溫試驗方法》標準，在MTS-810型液壓伺服萬能拉伸機上進行室溫拉伸性能測試；依據(jù)GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》標準，在JB30B型擺錘式?jīng)_擊試驗機上進行室溫沖擊性能測試，測試試樣為V型沖擊試樣(55 mm×10 mm×10 mm)；采用日立S-4800型掃描電鏡(SEM)觀察不同固溶熱處理態(tài)雙相不銹鋼的組織和斷口形貌；依據(jù)GB/T 230.1—2004《洛氏硬度試驗方法》，在TH320型洛氏硬度計上進行硬度測試，載荷150 kg，保載時間10 s。

1.2.3 電化學測試

電化學測試在普林斯頓P4000A電化學工作站上進行，腐蝕介質(zhì)為3.5%(質(zhì)量分數(shù))NaCl溶液，溫度為室溫。測試采取標準三電極體系：輔助電極為Pt電極、參比電極為飽和甘汞電極、工作電極為被測試樣[7]。其中，極化曲線測試的電位區(qū)間為-0.5～1.5 V， 電位掃描速率為5 mV/s；電化學阻抗譜(EIS)測試的頻率范圍為30 kHz～40 MHz、擾動電位幅值為0.01 V。 完成測試后，分別采用Powersuite和Zsimpwin軟件對極化曲線和電化學阻抗進行擬合，并取電流密度為100 μA/cm2對應(yīng)的電位作為點蝕電位。

2 結(jié)果及討論

2.1 顯微組織

由圖1可見：熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的顯微組織都為典型的鐵素體(α相)+奧氏體(γ相)雙相組織，其中，鐵素體為黑灰色條狀，奧氏體為亮白色帶狀；各試樣中鐵素體和奧氏體的形態(tài)和分布明顯不同，其中，熱軋態(tài)和固溶溫度為1 025～1 075 ℃的雙相不銹鋼中鐵素體和奧氏體呈現(xiàn)明顯變形特征，且相界還可見少量塊狀析出相，而固溶溫度達到1 125 ℃及以上時，島狀γ相均勻分布在α相中，未發(fā)現(xiàn)明顯塊狀析出相，且隨著固溶溫度升高，α相含量不斷增大、γ相含量不斷減小。

(a) 熱軋態(tài)

(b) 1 025 ℃固溶

(c) 1 075 ℃固溶

(d) 1 125 ℃固溶

(e) 1 175 ℃固溶

(f) 1 200 ℃固溶

熱軋態(tài)和固溶溫度為1 025～1 075 ℃時，雙相不銹鋼中存在塊狀析出相，而固溶溫度在1 125 ℃及以上時，相界塊狀析出相消失，因此對固溶溫度為1 125，1 175，1 200 ℃的雙相不銹鋼進行α相和γ相含量統(tǒng)計，結(jié)果見圖2。結(jié)果表明：當固溶溫度為1 125 ℃時，雙相不銹鋼中γ相和α相的體積分數(shù)分別為52.9%和47.1%；當固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼中γ相和α相的體積分數(shù)分別為50.7%和49.3%；當固溶溫度為1 200 ℃時，雙相不銹鋼中γ相和α相的體積分數(shù)分別為46.2%和53.8%?？梢?，隨著固溶溫度升高，雙相不銹鋼中α相含量不斷增大，而γ相含量不斷減小，在固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼中α相和γ相的含量接近于1∶1。

圖2 固溶溫度與雙相不銹鋼中相含量的變化曲線Fig. 2 Relationship of solution temperature with phase content in duplex stainless steel

采用Thermo-Calc軟件計算雙相不銹鋼中不同析出相的析出溫度和含量，并繪制平衡相圖[8]，結(jié)果見圖3。可見，當固溶溫度高于1 020 ℃時，雙相不銹鋼中只有α相和γ相，且隨著固溶溫度的升高，α相含量不斷增多，而γ相含量不斷減少，這與圖1的顯微組織觀察結(jié)果相吻合。

圖3 雙相不銹鋼的平衡相圖Fig. 3 Equilibrium phase diagram of duplex stainless steel

圖4為熱軋態(tài)和和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的晶粒形貌。對比分析可見：隨著固溶溫度的升高，雙相不銹鋼中晶粒呈現(xiàn)不斷長大特征。在固溶溫度升高至1 175 ℃時，晶粒尺寸分布最為均勻且相對較小，這主要是因為此時雙相不銹鋼的兩相含量接近1∶1，可以互相制約對方晶粒粗化；當固溶溫度升高至1 200 ℃時，雙相比例失衡，某一方晶粒長大驅(qū)動力變大[9]，從而造成晶粒粗化和不均。

(a) 熱軋態(tài)

(b) 1 025 ℃固溶

(c) 1 075 ℃固溶

(d) 1 125 ℃固溶

(e) 1 175 ℃固溶

(f) 1 200 ℃固溶

2.2 力學性能

由表2可見：熱軋態(tài)雙相不銹鋼的抗拉強度、屈服強度、斷后伸長率和斷面收縮率分別為875 MPa、575 MPa、35%和55%，沖擊功和洛氏硬度分別為289 J和98.8 HRB；相較于熱軋態(tài)雙相不銹鋼，不同溫度固溶處理后，雙相不銹鋼的抗拉強度、屈服強度和洛氏硬度有不同程度的減小，而斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊功有不同程度的增加。熱軋態(tài)和較低溫度固溶處理的雙相不銹鋼的強度和硬度較高，這主要是因為此時雙相不銹鋼中的變形組織出現(xiàn)了一定的加工硬化，且相界硬而脆的析出相和較少的鐵素體含量會使得材料的強度和硬度提高[10]。在固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼的抗拉強度和屈服強度較高，而斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊功都達到最大值，這主要是因為此時雙相不銹鋼中α相和γ相含量接近于1∶1，兩相之間協(xié)調(diào)性最好[11]，表現(xiàn)出最好的韌塑性。

圖5為熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的拉伸斷口形貌。對比分析可見，熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的斷口中都可見尺寸不等、深淺不一的韌窩和撕裂棱，整體都表現(xiàn)為韌性斷裂特征。相對熱軋態(tài)雙相不銹鋼而言，固溶態(tài)雙相不銹鋼斷口中的韌窩尺寸更大、深度更深，具有相對更好的塑性；且固溶溫度為 1 125～1 200 ℃時，雙相不銹鋼斷口中的韌窩相對熱軋態(tài)和固溶溫度1 025～1 075 ℃ 時雙相不銹鋼的更深，表現(xiàn)出相對更好的塑性，這與力學性能測試結(jié)果相吻合。

表2 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的力學性能Tab. 2 Mechanical properties of hot-rolled duplex stainless steel and duplex stainless steel after solution treatment at different temperatures

(a) 熱軋態(tài)

(b) 1 025 ℃固溶

(c) 1 075 ℃固溶

(d) 1 125 ℃固溶

(e) 1 175 ℃固溶

(f) 1 200 ℃固溶

2.3 電化學性能

2.3.1 極化曲線

圖6為熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的極化曲線，表3中列出了相應(yīng)的極化曲線擬合結(jié)果。結(jié)果顯示：熱軋態(tài)和固溶態(tài)雙相不銹鋼的極化曲線相似，都有明顯的鈍化區(qū)間，表明材料表面已經(jīng)形成了鈍化膜，具有較好的耐腐蝕性能[12]，且不同狀態(tài)下雙相不銹鋼的點蝕電位都大于1 V，表明雙相不銹鋼具有良好的耐點蝕性能[13]。熱軋態(tài)雙相不銹鋼的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度和點蝕電位分別為-0.227 6 V、3.030 μA/cm2和1.100 V；固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼的自腐蝕電位最正(-0.165 5 V )、自腐蝕電流密度最小(1.204 μA/cm2)。自腐蝕電位屬于熱力學參數(shù)，可以表征材料腐蝕傾向的大小，而自腐蝕電流密度作為動力學參數(shù)，可直接表征腐蝕速率的大小[14]，從這個角度出發(fā)，固溶溫度為1 175 ℃ 時雙相不銹鋼具有最佳的耐腐蝕性能。

2.3.2 電化學阻抗譜

圖7為熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的電化學阻抗譜，根據(jù)圖8所示等效電路對其進行擬合，擬合結(jié)果列于表4中。Rsol表示溶液電阻，R1表示鈍化膜電阻，由于彌散效應(yīng)的存在，用常相位角元件CPE替代純電容，n表示彌散系數(shù)。

圖6 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的極化曲線Fig. 6 Polarization curves of hot-rolled duplex stainless steel and duplex stainless steel after solution treatment at different temperatures

圖7 熱軋態(tài)和不同溫度固溶處理后雙相不銹鋼的電化學阻抗譜Fig. 7 EIS of hot-rolled duplex stainless steel and duplex stainless steel after solution treatment at different temperatures

圖8 與圖7中電化學阻抗譜對應(yīng)的等效電路Fig. 8 Equivalent circuit diagram corresponding to EIS in figure 7

試樣Rsol/(Ω·cm2)R1/(Ω·cm2)CPEY0/(×10-5Ω-1·cm2·Sn)n熱軋態(tài)2.55957.9674.040 40.731 11 025 ℃固溶2.41062.3134.219 70.892 01 075 ℃固溶1.78092.0684.222 70.922 21 125 ℃固溶7.907139.1014.316 50.914 81 175 ℃固溶4.478223.6016.751 10.923 81 200 ℃固溶4.671128.5114.589 90.892 5

由圖7可見：熱軋態(tài)和固溶態(tài)雙相不銹鋼的電化學阻抗譜都表現(xiàn)為半圓形容抗弧，且熱軋態(tài)雙相不銹鋼的容抗弧半徑最小、固溶溫度為1 175 ℃時雙相不銹鋼的容抗弧半徑最大，而容抗弧半徑越大則阻抗越大，相應(yīng)地阻礙電弧傳輸?shù)淖饔酶鼜姡梢愿玫匾种泣c蝕反應(yīng)的發(fā)生[15]。從表4可知：固溶溫度為1 175 ℃ 時，雙相不銹鋼的鈍化膜電阻最大，表明電荷轉(zhuǎn)移受到的阻礙最大，抵抗腐蝕的能力最強[16]；此外，此時的彌散系數(shù)n最接近1，表明耐點蝕性能最好。因此，固溶溫度1 175 ℃時雙相不銹鋼具有最佳的耐腐蝕性能，這與前述的極化曲線測試結(jié)果相吻合。

3 結(jié)論

(1) 熱軋態(tài)和固溶溫度為1 025～1 200 ℃時雙相不銹鋼的顯微組織都為鐵素體+奧氏體雙相組織；熱軋態(tài)和固溶溫度1 025～1 075 ℃的雙相不銹鋼中鐵素體和奧氏體呈明顯變形特征，相界還可見少量塊狀析出相，而固溶溫度達到1 125 ℃及以上時，島狀奧氏體均勻分布在鐵素體相中，未發(fā)現(xiàn)明顯塊狀析出相；隨著固溶溫度升高，雙相不銹鋼中鐵素體含量不斷增大，而奧氏體含量不斷減小，在固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼中鐵素體和奧氏體含量接近于1∶1。

(2) 相較于熱軋態(tài)雙相不銹鋼，不同溫度固溶處理后，雙相不銹鋼的抗拉強度、屈服強度和洛氏硬度都有不同程度的減小，而斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊功都有不同程度的增大；當固溶溫度為 1 175 ℃ 時，雙相不銹鋼的抗拉強度和屈服強度較高，而斷后伸長率、斷面收縮率和沖擊功都達到最大值。

(3) 熱軋態(tài)雙相不銹鋼的自腐蝕電位、自腐蝕電流密度和點蝕電位分別為-0.227 6 V、3.030 μA/cm2和1.100 V；固溶溫度為1 175 ℃時，雙相不銹鋼的自腐蝕電位最正(-0.165 5 V)、自腐蝕電流密度最小(1.204 μA/cm2)。熱軋態(tài)和固溶態(tài)雙相不銹鋼的電化學阻抗譜都表現(xiàn)為半圓形容抗弧，且熱軋態(tài)雙相不銹鋼的容抗弧半徑最小，固溶溫度為1 175 ℃ 時雙相不銹鋼的容抗弧半徑和鈍化膜電阻最大，彌散系數(shù)最接近于1，具有最佳的耐腐蝕性能。