固溶溫度對(duì)2205雙相不銹鋼管組織和點(diǎn)蝕性能的影響
浙江至德鋼業(yè)有限公司對(duì)2205雙相不銹鋼管進(jìn)行了不同溫度的固溶處理,采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析了不同固溶狀態(tài)下的組織演變規(guī)律,通過(guò)三氯化鐵溶液浸泡法研究了固溶溫度對(duì)2205雙相不銹鋼管點(diǎn)蝕性能的影響。結(jié)果表明,950℃固溶處理后,組織中有σ相;經(jīng)1000~1100℃固溶處理后,由奧氏體和鐵素體兩相組成。隨固溶溫度升高,鐵素體含量逐漸增加,奧氏體晶粒度減小,孔蝕數(shù)量、孔蝕平均尺寸和腐蝕速率均呈下降趨勢(shì)。經(jīng)1100℃×20分鐘水冷固溶處理后,奧氏體和鐵素體含量約各占一半,組織均勻,表現(xiàn)出良好的耐點(diǎn)蝕性能。
2205(00Cr22Ni5Mo3N)不銹鋼管屬于第二代雙相不銹鋼管,由于其綜合了鐵素體不銹鋼管和奧氏體不銹鋼管的優(yōu)點(diǎn),因此具有較高的強(qiáng)度、韌性及優(yōu)良的焊接性能和耐腐蝕性能,已廣泛應(yīng)用于各工業(yè)領(lǐng)域,諸如紙漿和造紙、油氣工業(yè)、化學(xué)加工工業(yè)、運(yùn)輸業(yè)、制藥和食品工業(yè)以及建筑業(yè)等。在這些應(yīng)用中,2205雙相不銹鋼被認(rèn)為是具有成本效益的材料,填補(bǔ)了普通不銹鋼(如316L)和高合金奧氏體不銹鋼之間的空白。
在化學(xué)成分固定的情況下,2205雙相不銹鋼管的兩相比例和組織形態(tài)取決于熱處理工藝。不同熱處理工藝會(huì)形成不同奧氏體和鐵素體相比例及σ相析出,使其耐腐蝕性能受到極大影響。固溶處理溫度可以控制鐵素體和奧氏體兩相比例及析出相的溶解,因此研究固溶處理溫度對(duì)2205不銹鋼管組織及點(diǎn)腐蝕性能有著相當(dāng)重要的意義。為此,至德鋼業(yè)對(duì)2205雙相不銹鋼管進(jìn)行了不同溫度的固溶處理,采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析了不同固溶狀態(tài)下的組織演變規(guī)律,通過(guò)三氯化鐵溶液浸泡法研究了固溶溫度對(duì)2205雙相不銹鋼管點(diǎn)腐蝕性能的影響,確定了最佳固溶處理溫度。
一、試驗(yàn)材料及方法
試驗(yàn)用材料為5.0mm厚的2205不銹鋼管,其主要化學(xué)成分如表所示。沿2205雙相不銹鋼管軋制方向取金相試樣和點(diǎn)腐蝕試樣,在箱式電阻爐中進(jìn)行固溶處理,固溶處理溫度分別為950、1000、1050和1100℃,保溫時(shí)間設(shè)定為20分鐘,冷卻方式為水冷。將不同狀態(tài)的2205不銹鋼管金相試樣打磨、拋光、腐蝕后,在LEICADMI3000M金相顯微鏡上觀察顯微組織,并用顯微鏡自帶的金相分析軟件測(cè)量各相含量(面積分?jǐn)?shù))。利用掃描電鏡的背散射電子原子序數(shù)成像技術(shù),進(jìn)行σ相的組織觀察。
化學(xué)浸泡點(diǎn)蝕試樣經(jīng)打磨、清洗、除污和除油后干燥,用精度為0.01g的天平秤初始質(zhì)量,試樣尺寸為50mm×25mm×4mm。化學(xué)浸泡點(diǎn)蝕試驗(yàn)按GB/T17879—1999《齒輪磨削后表面回火的浸蝕檢驗(yàn)》中的“不銹鋼三氯化鐵點(diǎn)腐蝕試驗(yàn)方法”進(jìn)行,試驗(yàn)介質(zhì)為6%三氯化鐵溶液,試驗(yàn)溫度為50℃,浸泡24小時(shí)后清除腐蝕坑內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物,以清水沖洗試樣,乙醇去水、烘干,測(cè)量腐蝕失重,計(jì)算點(diǎn)腐蝕速率。對(duì)表面宏觀形貌的觀察采用Canon-IXUS115HS型照相機(jī)和SZX16體式顯微鏡。
二、試驗(yàn)結(jié)果及分析
1. 固溶溫度對(duì)組織形貌和相含量的影響
a. 對(duì)σ相的影響
σ相富含鉬元素,因此在背散射電子圖像中σ相的亮度明顯大于鐵素體和奧氏體相,呈現(xiàn)白色。圖為2205雙相不銹鋼管試樣經(jīng)過(guò)950℃和1000℃固溶處理后的背散射電子圖像。從圖可以看出,經(jīng)過(guò)950℃固溶處理后,組織由鐵素體、奧氏體和σ相組成。相當(dāng)量的σ相沿γ/α晶界及α/α晶界析出,這是由于晶界位置利于σ相非均勻形核。經(jīng)過(guò)1000℃固溶處理后,組織中只有γ和α兩相存在,奧氏體呈長(zhǎng)條狀或島狀與鐵素體相間分布,在兩相界面及鐵素體內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)σ相。
b. 對(duì)組織的影響
圖為2205雙相不銹鋼管在不同固溶溫度下,保溫20分鐘,水淬處理后的三維立體顯微組織。圖為經(jīng)過(guò)950℃固溶處理后的顯微組織,為不規(guī)則的兩相交織分布的帶狀組織,黑色基體為鐵素體,白色纖維狀?yuàn)W氏體相分布在鐵素體基體上。經(jīng)過(guò)1000℃固溶處理后,組織中α、γ雙相還是交織分布的帶狀組織;經(jīng)過(guò)1050℃固溶處理后,奧氏體晶粒由長(zhǎng)條狀轉(zhuǎn)變?yōu)橹窆?jié)狀。隨著固溶處理溫度的繼續(xù)升高,竹節(jié)狀的奧氏體晶粒發(fā)生再結(jié)晶,組織為比較規(guī)則的兩相相間分布的均勻組織,如圖所示。1100℃固溶處理后,奧氏體和鐵素體組織發(fā)生了明顯的長(zhǎng)大,奧氏體的長(zhǎng)寬比明顯減小,鐵素體含量明顯升高。
不同固溶溫度下,2205不銹鋼管沿軋制方向奧氏體晶粒長(zhǎng)度變化曲線如圖所示。從圖可以看出,隨著固溶溫度升高,奧氏體晶粒再結(jié)晶更完全,奧氏體晶粒長(zhǎng)度不斷減小,950℃固溶處理后,奧氏體晶粒平均長(zhǎng)度為154.092μm; 1100℃固溶處理后,奧氏體晶粒平均長(zhǎng)度縮短為16.936μm。奧氏體不銹鋼在固溶處理過(guò)程中的形態(tài)變化分析如下:加熱到固溶溫度時(shí),奧氏體與基體α-鐵素體連接界面處表面張力的不平衡將促使奧氏體沿界面局部溶解,直到表面張力達(dá)到平衡,其溶坑的壁凸向α-鐵素體。隨著固溶溫度升高,溶坑不斷加深。因此,經(jīng)950~1100℃固溶處理后,奧氏體晶粒由帶狀轉(zhuǎn)變?yōu)橹窆?jié)狀,最終轉(zhuǎn)變?yōu)榫植康那驙睢?/span>
表為不同固溶處理溫度下2205不銹鋼管試樣中對(duì)應(yīng)的鐵素體含量。從表可以看出,950℃固溶處理后,組織中存在σ相,含量約為5%。經(jīng)過(guò)1000℃固溶處理后,鐵素體含量明顯增加;1100℃固溶處理后,鐵素體含量最高為49.7%,奧氏體和鐵素體兩相比例約為1∶1,一般認(rèn)為,這種比例的雙相不銹鋼具有優(yōu)良的綜合性能。在1000~1100℃固溶溫度區(qū)間,α相含量增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢。根據(jù)68%Fe的Fe-Cr-Ni相圖也可以得出這樣的結(jié)論,如圖所示。根據(jù)Fe-Cr-Ni相圖可知,鐵素體相與(鐵素體+奧氏體)相的邊界及(鐵素體+奧氏體)相與奧氏體相的邊界都呈彎曲狀,在1000~1100℃固溶溫度區(qū)間,曲線相對(duì)比較平直,由杠桿定律計(jì)算可知,α相含量增長(zhǎng)趨勢(shì)緩慢。
2. 固溶溫度對(duì)點(diǎn)腐蝕性能的影響
圖為經(jīng)過(guò)不同溫度固溶處理后試樣的腐蝕速率曲線。從曲線上可以看出,經(jīng)過(guò)950℃固溶處理后,2205不銹鋼管試樣腐蝕速率較快,為24.49g·m-2·h-1。在1000~1100℃固溶溫度區(qū)間,隨著固溶溫度升高,腐蝕速率依此減小,1100℃固溶處理后,腐蝕速率最低為2.47g·m-2·h-1。
圖為經(jīng)過(guò)不同溫度固溶處理后,2205雙相不銹鋼管試樣點(diǎn)蝕宏觀形貌。從圖6可以看出,經(jīng)過(guò)950℃固溶處理后,試樣表面點(diǎn)蝕坑較多,腐蝕以局部腐蝕為主,在試樣表面不均勻分布。經(jīng)過(guò)1000℃固溶處理后,點(diǎn)蝕坑數(shù)量明顯減少,在試樣邊緣和機(jī)加工劃痕處分布較多;經(jīng)過(guò)1100℃固溶處理后,點(diǎn)蝕坑零星的分散在試樣表面,表現(xiàn)出較好的耐點(diǎn)腐蝕性能。
圖為經(jīng)過(guò)不同溫度固溶處理后,2205雙相不銹鋼管試樣點(diǎn)蝕微觀形貌圖。從圖7可以看出,950℃固溶處理后,2205不銹鋼試樣表面出現(xiàn)大小不一的點(diǎn)蝕坑,蝕坑數(shù)量較多,蝕坑尺寸大,說(shuō)明其耐蝕性較差;在1000~1100℃固溶溫度區(qū)間,隨著固溶溫度升高,蝕坑數(shù)量和尺寸逐漸減小,到1100℃固溶處理后,表面點(diǎn)蝕坑只有1個(gè),尺寸較小。
點(diǎn)蝕是雙相不銹鋼最有害的腐蝕形態(tài)之一,點(diǎn)蝕往往是應(yīng)力腐蝕裂紋和腐蝕疲勞裂紋的起始部位。雙相不銹鋼的耐點(diǎn)蝕性能除了和化學(xué)成分有關(guān)外,跟兩相比例、組織的均勻性和析出相也有很大的關(guān)系。從上面的試驗(yàn)結(jié)果可以看出,經(jīng)過(guò)950℃固溶處理后,試樣的耐點(diǎn)蝕性能最差,這與其組織中σ相存在有關(guān)。σ相中鉻和鉬含量高,鉻和鉬元素在σ相中富集必然形成周圍貧鉻和鉬的區(qū)域,使這些區(qū)域成為點(diǎn)蝕敏感點(diǎn),從而使鋼的耐點(diǎn)蝕性能下降。經(jīng)過(guò)1000~1100℃固溶處理后,2205雙相不銹鋼管組織中σ相消除,耐點(diǎn)腐蝕性能大幅度提高,從孔蝕數(shù)量、孔蝕平均尺寸和腐蝕速率的試驗(yàn)結(jié)果中都能得出這樣的結(jié)論。
在1000~1100℃固溶溫度區(qū)間,隨固溶溫度升高,鋼的耐點(diǎn)腐蝕性能提高,主要從兩相比例、組織的均勻性兩個(gè)方面來(lái)分析原因。由文獻(xiàn)可知,雙相不銹鋼管點(diǎn)蝕時(shí),首先是鐵素體發(fā)生腐蝕產(chǎn)生小的蝕孔,蝕孔逐漸發(fā)展包圍奧氏體,導(dǎo)致奧氏體脫落產(chǎn)生蝕坑。按照此理論,奧氏體越少其耐蝕性越差。但是,根據(jù)前面的試驗(yàn)結(jié)果,在1000~1100℃固溶溫度區(qū)間,奧氏體含量在50.3%~53.9%之間變化不大,因此奧氏體含量高低并不是影響點(diǎn)腐蝕速率的主導(dǎo)因素。在1100℃固溶處理后,α和γ兩相含量比較接近,由于兩相電位差很小,電偶腐蝕效應(yīng)不明顯,決定了兩種組織狀態(tài)都具有很好的耐點(diǎn)蝕性能。此外,固溶溫度升高,鉻和鉬元素的分配系數(shù)逐漸提高,對(duì)提高耐點(diǎn)腐蝕性能也是有益的。因此,經(jīng)1100℃×20分鐘水冷固溶處理后,奧氏體和鐵素體含量約各占一半,組織均勻,表現(xiàn)出良好的耐點(diǎn)蝕性能。
三、結(jié)論
1. 經(jīng)過(guò)950℃固溶處理后,2205雙相不銹鋼管組織由鐵素體、奧氏體和σ相組成。經(jīng)過(guò)1000℃固溶處理后,組織中只有γ和α兩相存在,在兩相界面及鐵素體內(nèi)部沒有發(fā)現(xiàn)σ相。
2. 隨著固溶溫度升高,軋制態(tài)奧氏體晶粒度不斷減小。950℃固溶處理后,奧氏體晶粒平均長(zhǎng)度為154.092μm,1100℃固溶處理后,奧氏體晶粒平均長(zhǎng)度縮短為16.936μm。
3. 2205雙相不銹鋼管經(jīng)950~1100℃固溶處理后,孔蝕數(shù)量、孔蝕平均尺寸和腐蝕速率隨固溶溫度均呈下降趨勢(shì)。經(jīng)1100℃×20分鐘水冷固溶處理后,奧氏體和鐵素體含量約各占一半,組織均勻,表現(xiàn)出良好的耐點(diǎn)蝕性能。
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