18Cr-8Ni型奧氏體不銹鋼金相檢測(cè)化學(xué)拋光液的研制

張鴻武，楊東旭，岳增武，金樹(shù)生，馬永泉，高明德

（1.山東電力工業(yè)鍋爐壓力容器檢驗(yàn)中心有限公司，山東 濟(jì)南 250003；2.國(guó)網(wǎng)山東省電力公司電力科學(xué)研究院，山東 濟(jì)南 250003；3.華能濟(jì)南黃臺(tái)發(fā)電有限公司，山東 濟(jì)南 250100）

近年來(lái)，隨著電站鍋爐向高參數(shù)、大容量、高效率方向快速發(fā)展，其受熱部件材料的使用性能和加工性能的要求逐步提高。18Cr-8Ni型奧氏體耐熱不銹鋼因其良好的組織穩(wěn)定性、較高的蠕變強(qiáng)度、優(yōu)良的抗氧化及抗高溫腐蝕性能被大量應(yīng)用在超（超）臨界電站鍋爐的受熱面管上[1]。受熱面管往往在極為惡劣的工況下運(yùn)行，隨著運(yùn)行時(shí)間的積累，難免會(huì)出現(xiàn)組織老化、腐蝕、晶間裂紋等缺陷。這些缺陷的產(chǎn)生嚴(yán)重影響了機(jī)組的安全運(yùn)行[2]，因此對(duì)奧氏體不銹鋼的金相檢測(cè)是電站鍋爐金屬監(jiān)督項(xiàng)目中的重要部分。電站鍋爐實(shí)際金屬監(jiān)督過(guò)程需要在不損傷部件的前提下進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)，由于現(xiàn)場(chǎng)工況的復(fù)雜性和環(huán)境條件的局限性，現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)難度遠(yuǎn)大于實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)。

在現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)過(guò)程中，主要有磨光、拋光、侵蝕和觀察等步驟[3]。拋光質(zhì)量的好壞將對(duì)金相組織的成像質(zhì)量產(chǎn)生直接影響，如果拋光質(zhì)量欠佳，奧氏體組織的晶界、析出相M23C6、金屬間化合物σ相、沿（穿）晶裂紋等組織形貌將不容易發(fā)現(xiàn)，造成缺陷漏檢，形成安全隱患[4-6]。

由于奧氏體不銹鋼中Cr、Ni等合金元素的含量較高（質(zhì)量分?jǐn)?shù)總和接近30%），傳統(tǒng)的金相化學(xué)拋光液無(wú)法對(duì)其進(jìn)行有效拋光。所以現(xiàn)場(chǎng)最常用的拋光方式為機(jī)械拋光，該方法利用便攜手持式電動(dòng)拋光機(jī)，配合金剛石粉拋光劑進(jìn)行，但由于受工件形狀及環(huán)境位置的限制，在拋光的過(guò)程較難控制，所需拋光時(shí)間較長(zhǎng)，劃痕不易去除，且容易出現(xiàn)局部區(qū)域過(guò)熱的現(xiàn)象，拋光效果并不理想。

為提高電站鍋爐金屬監(jiān)督檢驗(yàn)的質(zhì)量，簡(jiǎn)化金相檢測(cè)的操作流程，本文通過(guò)對(duì)18Cr-8Ni型奧氏體不銹鋼金相檢測(cè)效果的對(duì)比分析，研制出一種高質(zhì)高效且較為環(huán)保的奧氏體不銹鋼化學(xué)拋光液。

1 配置工藝

經(jīng)多次反復(fù)試驗(yàn)，篩選確定化學(xué)拋光液的配方見(jiàn)表1。

以100 mL化學(xué)拋光液的配制為例，化學(xué)拋光液的配制步驟如下：

步驟1 用量筒分別量取無(wú)水乙醇（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99.7%）10 mL和過(guò)氧化氫（質(zhì)量分?jǐn)?shù)30%）50 mL，倒入燒杯內(nèi)；

步驟2 用量筒分別量取分析純鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)36%~38%）13~17 mL、分析純磷酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥85%）13~17 mL、分析純氫氟酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%）8~12 mL，倒入燒杯內(nèi)，倒入后攪拌均勻；

步驟3 用天平稱(chēng)取分析純硝酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%）5~7 g，倒入燒杯內(nèi)，攪拌均勻至完全溶解；

步驟4 用天平分別稱(chēng)取硫脲0.5 g和鹽酸抑霧劑0.1 g，倒入燒杯內(nèi)，攪拌均勻。

2 配置工藝原理

金相檢測(cè)中的化學(xué)拋光是依靠化學(xué)試劑對(duì)樣品表面凹凸不平區(qū)域進(jìn)行選擇性溶解，消除研磨痕跡、侵蝕整平的一種方法[7]。

2.1 分析純鹽酸

鹽酸是一種不具有氧化性的無(wú)機(jī)強(qiáng)酸，強(qiáng)腐蝕劑，主要起溶解金屬的作用。但是單獨(dú)使用鹽酸，對(duì)不銹鋼表面起不到溶解作用，只有與硝酸和其他助劑相結(jié)合，才有一定的溶解能力，可用于除去不銹鋼表面上的氧化層[8-10]。當(dāng)分析純鹽酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)36%~38%）與拋光液的體積分?jǐn)?shù)約為150 mL/L時(shí)，拋光液溶解速度適中，既去除氧化層，又不會(huì)因腐蝕過(guò)程加劇而產(chǎn)生過(guò)腐蝕，無(wú)明顯酸霧揮發(fā)，溶解效果理想。

2.2 分析純磷酸

磷酸是一種中等強(qiáng)度的三元無(wú)機(jī)酸，可以增加拋光液的黏度，降低拋光液的酸度，有效地抑制不銹鋼表面的過(guò)度溶解。在化學(xué)拋光過(guò)程中起到溶解作用，同時(shí)可以在表面生成一層不溶性的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜，這種鈍化膜的形成和溶解,可使金相測(cè)點(diǎn)表面達(dá)到平整,同時(shí)還具有拋光的功效[8-10]。當(dāng)分析純磷酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥85%）與拋光液的體積分?jǐn)?shù)約為150 mL/L時(shí)，既起溶解作用，又可在不銹鋼表面上形成不溶性的磷酸鹽轉(zhuǎn)化膜，防止過(guò)腐蝕的發(fā)生，從而有效地抑制金屬的過(guò)溶解。

2.3 硝酸鈉

硝酸鈉是一種強(qiáng)氧化劑，配合鹽酸起到溶解作用，有效去除氧化層，可在金相測(cè)點(diǎn)形成鈍化膜，在拋光液中代替易分解的硝酸，避免拋光過(guò)程中產(chǎn)生黃煙。硝酸鈉在拋光液中配置和添加較方便[8-10]，當(dāng)每1 L溶液中加入硝酸鈉（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥99%）約60 g時(shí)，既不會(huì)對(duì)不銹鋼表面產(chǎn)生鈍化作用，降低溶解速度，也不會(huì)使表面有蝕坑和麻點(diǎn)。

2.4 分析純氫氟酸

氫氟酸是一種還原性酸，是強(qiáng)腐蝕劑。其中F-的活性高，離子半徑小，容易向不銹鋼表面滲透，使不銹鋼與氫氟酸發(fā)生反應(yīng)，溶解金屬[11-13]。當(dāng)分析純氫氟酸（質(zhì)量分?jǐn)?shù)≥40%）與拋光液的體積分?jǐn)?shù)約為100 mL/L時(shí)，溶解效果好，溶解速度適中，無(wú)局部過(guò)腐蝕現(xiàn)象。

2.5 其他添加劑

過(guò)氧化氫可消除腐蝕殘?jiān)腿芙馓技疤蓟?，提高不銹鋼表面的光潔度，也可消除NOx的突沸。乙醇可以使過(guò)氧化氫更加穩(wěn)定，提高不銹鋼表面的光潔度。硫脲作為緩蝕劑，可以減緩拋光液對(duì)金相測(cè)點(diǎn)表面的腐蝕速率，抑制拋光液對(duì)金相測(cè)點(diǎn)表面的腐蝕，防止過(guò)腐蝕的產(chǎn)生。鹽酸抑霧劑可以抑制鹽酸酸霧的揮發(fā)降低污染，降低對(duì)試驗(yàn)人員身體的傷害，清除各種油污，減緩或抑制鹽酸對(duì)金屬的腐蝕，與鹽酸具有良好的協(xié)同效果，適用于各種溫度下的鹽酸使用[14-15]。

3 拋光工藝及檢測(cè)效果

電站鍋爐受熱面管常用18Cr-8Ni型奧氏體耐熱不銹鋼，常見(jiàn)牌號(hào)有TP304、TP304H、TP347、TP347H[16]及TP347HFG等新一代奧氏體耐熱鋼[17]?，F(xiàn)選取4個(gè)不同的試樣（表2），編號(hào)依次為1號(hào)—4號(hào)，分別進(jìn)行金相檢測(cè)。為了同時(shí)觀察實(shí)驗(yàn)室和現(xiàn)場(chǎng)的檢測(cè)效果，1號(hào)、2號(hào)試樣為割管取樣，檢測(cè)地點(diǎn)為金相檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室；3號(hào)、4號(hào)試樣為現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)，檢測(cè)地點(diǎn)為電廠鍋爐爐膛內(nèi)。

表2 試樣概況Tab.2 Overview of the samples

3.1 實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果

將1號(hào)、2號(hào)試樣（橫截面）打磨至600號(hào)金相砂紙，采用本文化學(xué)拋光液進(jìn)行化學(xué)拋光，拋光方法參照GB/T13298—2015和DL/T884—2019，拋光擦拭時(shí)間控制在15~30 s[3,7]?；瘜W(xué)拋光完成后，使用Axio Vert A1金相顯微鏡觀察拋光效果。然后使用王水溶液進(jìn)行浸蝕，再次觀察金相組織。使用機(jī)械轉(zhuǎn)盤(pán)拋光機(jī)配合金剛石粉拋光劑，對(duì)600號(hào)金相砂紙打磨后的1號(hào)、2號(hào)試樣進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光時(shí)間5~8 min。經(jīng)浸蝕后，再次觀察金相組織（圖1—圖2）。

根據(jù)《18Cr-8Ni系列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評(píng)級(jí)標(biāo)準(zhǔn)》（DL/T1422—2015）對(duì)3種金相組織進(jìn)行老化評(píng)級(jí)[18]。由圖1可見(jiàn)，試樣經(jīng)化學(xué)拋光后，只有極少量的劃痕未去除，其金相組織為奧氏體、孿晶和滑移線，晶內(nèi)和晶界均存在第二相析出，晶界上的第二相明顯粗化，局部鏈狀分布，可見(jiàn)裂紋起源于內(nèi)壁附近，并沿晶界分布，奧氏體老化評(píng)級(jí)為3—4級(jí)，機(jī)械拋光的效果與化學(xué)拋光的效果基本一致，均可清晰觀察到呈鏈狀的晶界、粗化的第二析出相、沿晶裂紋等組織形貌。

圖1 1號(hào)試樣拋光效果及金相組織Fig.1 The polishing effect and metallographic structure of No.1 sample

圖2 2號(hào)試樣拋光效果及金相組織Fig.2 The polishing effect and metallographic structure of No.2 sample

由圖2可見(jiàn)，試樣經(jīng)化學(xué)拋光后，只有極少量的劃痕未去除，其金相組織為奧氏體和孿晶，晶內(nèi)和晶界均存在第二相析出，晶界上的少量第二相顆粒粗化，老化評(píng)級(jí)為3級(jí)，機(jī)械拋光的效果與化學(xué)拋光的拋光效果基本一致，均可清晰觀察到第二相和孿晶等組織形貌。

3.2 現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

分別在2個(gè)不同電廠鍋爐的爐膛內(nèi)對(duì)3號(hào)、4號(hào)試樣（外壁）進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)。首先使用角磨機(jī)將外壁氧化皮去除，使用手持式電動(dòng)磨光機(jī)將金相磨面打磨至600號(hào)金相砂紙，然后采用本文化學(xué)拋光液進(jìn)行化學(xué)拋光，拋光方法與實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)相同?；瘜W(xué)拋光完成后，使用AC紙配合丙酮對(duì)未經(jīng)侵蝕的金相磨面進(jìn)行表面覆膜。然后使用王水溶液進(jìn)行浸蝕，浸蝕后再次表面覆膜。表面覆膜完成后，將測(cè)點(diǎn)表面重新打磨至600號(hào)金相砂紙，采用手持式電動(dòng)拋光機(jī)配合金剛石粉拋光劑對(duì)金相磨面進(jìn)行機(jī)械拋光，拋光時(shí)間5~8 min，然后浸蝕并表面覆膜。將覆膜片帶回實(shí)驗(yàn)室，使用Axio Vert A1金相顯微鏡觀察金相組織（圖3—圖4）。同樣，對(duì)3種金相組織進(jìn)行老化評(píng)級(jí)[18]。由圖3可見(jiàn)，試樣經(jīng)化學(xué)拋光后，其金相組織為奧氏體、孿晶，晶內(nèi)存在較少的第二相，晶界附近有較多的第二相偏聚，晶界上存在較多尺寸稍大的第二相，老化評(píng)級(jí)為3級(jí)，機(jī)械拋光的效果與化學(xué)拋光的效果基本一致，均可清晰觀察到晶內(nèi)及晶界上粗化的第二析出相等組織形貌。

圖3 3號(hào)試樣拋光效果及金相組織Fig.3 The polishing effect and metallographic structure of No.3 sample

圖4 4號(hào)試樣拋光效果及金相組織Fig.4 The polishing effect and metallographic structure of No.4 sample

由圖4可見(jiàn)，試樣經(jīng)化學(xué)拋光后，其金相組織為奧氏體，晶內(nèi)存在較少的第二相，晶界附近有較多的第二相偏聚，晶界上存在較多尺寸稍大的第二相，老化評(píng)級(jí)為2—3級(jí)，化學(xué)拋光的效果與機(jī)械拋光的效果基本一致，均可清晰觀察到晶界、晶內(nèi)碳化物等組織形貌。

觀察比對(duì)以上4組試樣的檢測(cè)結(jié)果，可以看出，該化學(xué)拋光液可基本消除研磨后殘留的痕跡，只有極少數(shù)較深的劃痕會(huì)有殘留，但可清晰地觀察到奧氏體組織的晶界、碳化物、第二析出相、沿晶裂紋等組織形貌，且相對(duì)于傳統(tǒng)的機(jī)械拋光，該方法節(jié)省了大量的檢測(cè)時(shí)間，在保證檢測(cè)效果的同時(shí)，大大提高了檢測(cè)效率，試驗(yàn)室取樣檢測(cè)和生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)均有良好的效果。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文提出的化學(xué)拋光液配置工藝簡(jiǎn)單，使用硝酸鈉代替硝酸，并加入鹽酸抑霧劑，抑制了有害氣體的揮發(fā)，降低了對(duì)試驗(yàn)人員人體的危害，攜帶和存儲(chǔ)方便。在金相制備過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)適應(yīng)度高，操作簡(jiǎn)單，不需要借助機(jī)械設(shè)備，拋光效率高且速度可控。該化學(xué)拋光液拋光效果好，部件表面不會(huì)產(chǎn)生變形層，得到的金相組織真實(shí)、清晰，適用于實(shí)驗(yàn)室及生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)金相檢測(cè)。