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        冷軋對(duì)2205 雙相不銹鋼在人工海水中耐蝕性的影響

        2023-05-22 09:22:22張鈺鑫王宏臣彭啟強(qiáng)
        材料保護(hù) 2023年4期
        關(guān)鍵詞:壓下率極化曲線(xiàn)耐蝕性

        郭 宇,張鈺鑫,宋 航,陳 吉,王宏臣,彭啟強(qiáng)

        (1.遼寧石油化工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,遼寧 撫順 113001;2.中海石油技術(shù)檢測(cè)有限公司,天津 300452)

        0 前 言

        固溶處理、析出相及合金元素對(duì)2205 雙相不銹鋼(DSS)耐蝕性的影響顯著[1-7]。周鵬等[1]發(fā)現(xiàn)隨固溶溫度升高,2205DSS 組織中奧氏體γ 相由纖維條狀逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槎贪魻?、島狀并均勻分布,且含量不斷減少,耐氯離子點(diǎn)蝕性能增強(qiáng)。陳興潤(rùn)等[2]發(fā)現(xiàn)隨固溶溫度的升高,2205DSS 組織中鐵素體α 相含量逐漸增加,γ相晶粒度減小,孔蝕數(shù)量、孔蝕平均尺寸和腐蝕速率均下降。魏斌等[3]發(fā)現(xiàn)2205DSS 經(jīng)1 050 ℃×2 h 水冷固溶處理后,在人工海水中表現(xiàn)出良好的耐點(diǎn)蝕性能。龔敏等[4]發(fā)現(xiàn)2205DSS 中的金屬碳化物在固溶處理溫度為750~900 ℃的范圍內(nèi)析出,γ 相含量急劇減少,耐蝕性能?chē)?yán)重惡化。孟祥娟等[5]發(fā)現(xiàn)950 ℃熱處理+爐冷導(dǎo)致2205DSS 組織中σ 相析出,造成σ 相周?chē)氥t和鉬,耐 蝕 性 能 顯 著 降 低。楊 吉 春 等[6]發(fā) 現(xiàn) 當(dāng)2205DSS 中N 含量為0.11%~0.35%時(shí),其在人工海水中的耐蝕性隨N 含量的升高逐漸增強(qiáng)。鄭健超[7]發(fā)現(xiàn)Mn 和Mn、Si 氧化物會(huì)降低2205DSS 的耐點(diǎn)蝕性,而Ti反而會(huì)增強(qiáng)其耐點(diǎn)蝕性。冷軋是工業(yè)上常用的材料加工方法[8,9],可顯著增加位錯(cuò)密度來(lái)提高材料的強(qiáng)度。關(guān)于冷軋對(duì)2205 雙相不銹鋼在人工海水中耐蝕性的影響的研究尚不多見(jiàn)。因此,本工作對(duì)2205 雙相不銹鋼采用不同壓下率(PCRR=20%~80%)冷軋,對(duì)試樣進(jìn)行金相觀(guān)察和硬度測(cè)量,利用動(dòng)電位極化曲線(xiàn)測(cè)試和電化學(xué)阻抗譜研究冷軋2205DSS 在人工海水(3.5%NaCl 溶液)中的耐蝕性能,為2205DSS 在海洋環(huán)境中的應(yīng)用提供參考。

        1 試 驗(yàn)

        試驗(yàn)材料選用寶鋼生產(chǎn)的含氮2205DSS 熱軋板B2205,其化學(xué)成分為(質(zhì)量分?jǐn)?shù),%):0.02 C、0.17 N、22.00 Cr、5.50 Ni、3.10 Mo、Fe 余量。使用四輥異步軋機(jī)對(duì)原始尺寸為30 mm×60 mm×4 mm 的試樣進(jìn)行軋制,輥速為300 r/min,壓下率分別為20%、40%、60%、80%。金相樣品用SiC 砂紙從400 目打磨至1 200 目,用W2.5 金剛石拋光至鏡面,選用80 ℃的堿性鐵氰化鉀溶液[10]浸蝕金相樣品表面,烘干后采用NK-5000 金相顯微鏡觀(guān)察試樣表面形貌。硬度測(cè)量選取HV-1000 顯微硬度計(jì),直徑2.5 mm 的布氏壓頭,在1 839 N 的載荷下保載10 s,在試樣表面重復(fù)測(cè)量6 次,結(jié)果取平均值。

        電化學(xué)實(shí)驗(yàn)采用傳統(tǒng)三電極系統(tǒng),樣品為工作電極,尺寸為10 mm×10 mm,石墨為輔助電極,參比電極選擇飽和甘汞電極。背面用Cu 導(dǎo)線(xiàn)焊接,用704 硅橡膠封裝,確保電極工作面積為1 cm2。將試樣在人工海水(3.5%NaCl 溶液)中浸泡30 min,然后在-1 300 mV下除膜180 s,進(jìn)行1 h 開(kāi)路電位(OCP)測(cè)量,待電位穩(wěn)定后,進(jìn)行動(dòng)電位極化曲線(xiàn)測(cè)試。起始電位為-0.5 V(vsOCP),終止電位為1.3 V(vs RE),掃描速率為0.5 mV/s。阻抗譜的測(cè)量采用的交流擾動(dòng)電壓為10 mV,頻率為1.0×(10-2~105)Hz。

        2 結(jié)果與討論

        圖1 為2205DSS 原始態(tài)及不同壓下率冷軋樣品的金相組織對(duì)比,其中淺色組織為奧氏體γ 相,深色組織為鐵素體α 相。

        圖1 2205DSS 原始態(tài)及不同壓下率冷軋樣品的金相組織對(duì)比(100 ×)Fig.1 Comparison of metallographic structure of raw and as cold-rolled samples of 2205 DSS with different PCRR(100 ×)

        由圖1a 可觀(guān)察到,原始態(tài)中γ 相呈帶狀平行分布于α 相基體中,兩者比例接近1 ∶1。經(jīng)壓下率40%冷軋,帶狀γ 相轉(zhuǎn)變?yōu)閸u狀組織,α 相內(nèi)部碎化,有小顆粒狀γ 相分布于島狀組織周?chē)?。?dāng)壓下率達(dá)到60%時(shí),島狀γ 相邊緣變得狹長(zhǎng),出現(xiàn)明顯組織破碎,有灰黑色相在兩相相界面處析出,為σ 相[11-19]。在壓下率為0~60%的區(qū)間內(nèi),盡管α 相和γ 相的形貌發(fā)生變化,但α 相和γ 相兩相比例未見(jiàn)明顯改變。在常溫冷軋過(guò)程中雙相不銹鋼的α 相不發(fā)生分解,且B2205 材料中Cr 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過(guò)20%,γ 相在冷軋過(guò)程中不容易發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變,這與馮志慧等[20]的研究結(jié)果一致。當(dāng)壓下率達(dá)到80%時(shí),試樣中γ 相的邊緣變得更加狹長(zhǎng),部分區(qū)域連結(jié)成網(wǎng),析出相在兩相相界面處萌生并向α 相內(nèi)部生長(zhǎng)。

        圖2 為2205DSS 試樣的布氏硬度值隨壓下率的變化。由圖2 可知,經(jīng)過(guò)冷軋,樣品的硬度明顯增加。壓下率為60%的樣品的硬度最大,是原始態(tài)硬度的1.4倍。冷軋引起基體中位錯(cuò)密度增加及組織細(xì)化,使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力顯著增加,導(dǎo)致材料硬度升高?;w中少量彌散分布的σ 相對(duì)硬度提高也有一定貢獻(xiàn)。隨著壓下率增至80%,樣品中α 相的比例增加,組織細(xì)化更加均勻,硬度明顯下降,誤差范圍更小。

        圖2 2205DSS 試樣的布氏硬度值隨壓下率的變化Fig.2 Change of Brinell hardness value of 2205 DSS sample with PCRR

        圖3 為不同冷軋壓下率的2205DSS 在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)及局部放大。由圖3 可知,隨著壓下率增加,2205DSS 的自腐蝕電位Ecorr在壓下率為0~40%的區(qū)間內(nèi)向正方向移動(dòng),在壓下率為40%時(shí)達(dá)到最正,在壓下率為40%~80%的區(qū)間內(nèi)向負(fù)方向移動(dòng),且在壓下率為80%達(dá)到最小值,并低于原始態(tài)。動(dòng)電位極化曲線(xiàn)的擬合參數(shù)列于表1。由表1 可見(jiàn),在壓下率為0~40%的區(qū)間內(nèi),2205DSS 的Ecorr升高,自腐蝕電流密度J0和腐蝕速率CR單調(diào)下降;在壓下率為60%~80%的區(qū)間內(nèi),2205DSS 的Ecorr降低,J0呈上升趨勢(shì),壓下率為60%時(shí),自腐蝕電位與原始態(tài)試樣相差不大,但自腐蝕電流密度和腐蝕速率卻遠(yuǎn)超原始態(tài),試樣的耐蝕性相較于原始態(tài)小幅度降低,當(dāng)壓下率為80%時(shí),試樣的自腐蝕速率、自腐蝕電流密度相較于原始態(tài)增加近3 倍,耐蝕性大幅度降低。

        圖3 不同冷軋壓下率的2205DSS 在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)及局部放大Fig.3 Potentiodynamic polarization curve and local amplification of 2205 DSS with different PCRR in 3.5%NaCl solution

        表1 不同冷軋壓下率的2205DSS 在3.5%NaCl溶液中的動(dòng)電位極化曲線(xiàn)的擬合參數(shù)Table 1 Fitting parameters of potentiodynamic polarization curves of 2205 DSS with different PCRR in 3.5%NaCl solution

        圖4 為不同冷軋壓下率的2205DSS 在3.5%NaCl溶液中的Nyquist 譜。由圖4 可知,各曲線(xiàn)具有相似的形狀,均表現(xiàn)出容抗弧特性,在電化學(xué)阻抗譜中,容抗弧直徑與材料的耐蝕性成正相關(guān),即容抗弧直徑越大,材料的耐蝕性能越好。在壓下率為0 ~40%時(shí),隨著壓下率的增加,材料的徑容抗弧半徑逐漸增加;在壓下率為40%~80%的區(qū)間內(nèi),隨著壓下率的增加,容抗弧的曲率半徑逐漸減小。隨著外部壓力的增加,Cr、Mo 等合金元素的擴(kuò)散能力隨之逐漸加強(qiáng),生長(zhǎng)于鐵素體和奧氏體界面處的σ 相的主要形成元素就是Cr、Mo。當(dāng)壓下率過(guò)大時(shí),Cr、Mo 元素在兩相間晶界處富集,形成析出相。組織內(nèi)部大量的σ 相從界面處向鐵素體基體內(nèi)逐漸析出,促進(jìn)了點(diǎn)蝕的形成,加快了腐蝕,降低了材料的耐腐蝕性能,表明冷軋壓下率過(guò)大會(huì)破壞適量變形引發(fā)的晶粒細(xì)化,使2205DSS 的抗腐蝕能力下降。

        圖4 不同冷軋壓下率的2205DSS 在3.5%NaCl溶液中的Nyquist 曲線(xiàn)Fig.4 Nyquist curve of 2205 DSS with different PCRR in 3.5%NaCl solution

        圖5 為人工海水中2205DSS 電極的等效電路。圖5 中,Rs為溶液電阻,Rf為鈍化膜電阻,Cf為鈍化膜電容,Cd為電極表面雙電層電容,Rct為電荷轉(zhuǎn)移電阻。其中,Rf反映了鈍化膜表面的緊實(shí)程度;Rct反映了電極反應(yīng)時(shí)電荷轉(zhuǎn)移的難易程度,Rct越小,電荷轉(zhuǎn)移越容易,電極的腐蝕速率越大;但當(dāng)Rf大于Rct時(shí),Rf為腐蝕速率控制步驟,Rf的值越大,鈍化膜對(duì)材料的保護(hù)性能越好,電極反應(yīng)時(shí)阻力越大,材料的耐蝕性也越好。利用圖5 所示的等效電路,通過(guò)Zsimp Win 軟件對(duì)電化學(xué)阻抗譜數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合,擬合結(jié)果列于表2。從表2 中可以看出,Rct和Rf具有相同的變化趨勢(shì),即先增加后減小,當(dāng)壓下率為40%,2205DSS 試樣的Rf最大,表明此時(shí)的鈍化膜更加完整,致密且均勻,鈍化膜的耐蝕性最好;當(dāng)壓下率增大到80%時(shí),試樣的Rf最小,與峰值相比減小6.4 倍,表明此時(shí)析出相的產(chǎn)生破壞了鈍化膜的完整性,鈍化膜厚度減薄,質(zhì)量變差,加快了材料在溶液中的電極反應(yīng)速率,促進(jìn)了點(diǎn)蝕的形成,材料的耐蝕性顯著下降,與Nyquist 曲線(xiàn)的分析結(jié)論相同。適當(dāng)冷軋可引起高密度位錯(cuò)和組織細(xì)化,對(duì)提高2205DSS 的耐蝕性有利,壓下率過(guò)高易造成σ 相析出,使材料的耐蝕性顯著降低。

        圖5 人工海水中2205DSS 電極的等效電路Fig.5 Equivalent circuit of 2205DSS electrode in artificial seawater

        表2 不同冷軋壓下率的2205DSS 在3.5%NaCl 溶液中的電化學(xué)阻抗曲線(xiàn)的擬合參數(shù)Table 2 Fitting parameters of electrochemical impedance curve of 2205 DSS with different PCRR in 3.5%NaCl solution

        3 結(jié) 論

        (1)冷軋壓下率值在40%附近時(shí),2205DSS 材料的耐蝕性最優(yōu)。當(dāng)壓下率在0 ~40%時(shí),材料的耐蝕性隨壓下率的增加而提高;當(dāng)壓下率在60%~80%時(shí),材料的耐蝕性隨壓下率的增加而顯著降低,耐蝕性相對(duì)于原始態(tài)大幅度降低。

        (2)適當(dāng)冷軋可引起高密度位錯(cuò)和組織細(xì)化,對(duì)提高2205DSS 的耐蝕性有利。壓下率過(guò)高易造成σ 相析出,導(dǎo)致材料的耐蝕性顯著降低。

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