马氏体不锈钢腐蚀性能的研究

张 拯，林万明，钱玉水

（太原理工大学材料科学与工程学院，山西太原 030024）

马氏体不锈钢是在常温下金相组织为马氏体的不锈钢，它的成分和铁素体不锈钢相似[1]。其化学成分具有以下特点：含有大于12%的铬，不含镍或含有少量镍（≤2.0%），高碳（一般大于0.1%）[2]，从而导致马氏体不锈钢在含有氯化物或硫化物介质中的耐腐蚀性能变差，只适合于轻度腐蚀的环境中，如大气、水蒸汽等[3]。针对马氏体耐腐蚀性能的不足，目前改进的方法主要有两种，一是采用低碳和高镍以获得低碳马氏体；二是加入钼来提高其耐蚀性。

铁素体不锈钢对晶间腐蚀敏感，这种缺陷一般由间隙元素C、N引起[4-6]，而马氏体不锈钢相对铁素体不锈钢的含碳量更高，马氏体的抗腐蚀性能要比铁素体不锈钢差[7，8]，通过降低碳含量可改善其耐蚀性能。易邦旺[9]通过改变镍含量来提高13Cr型马氏体不锈钢的综合性能，发现随着镍含量的增加，其耐腐蚀性能提高。在9Cr18Mo，Cr15MoCo等马氏体不锈钢的研究中发现，Mo添加对马氏体不锈钢的耐腐蚀性能有明显的提高[10，11]。

马氏体不锈钢通过适当的热处理强化后，可适用于对强度、硬度、耐磨性等要求较高并兼有一定耐蚀性的零部件，如蒸汽涡轮的叶片、医疗器械及其油井管道。随着能源工业的发展，特别是一些深井及高腐蚀环境油田的开发，对油井管材的耐蚀性能又提出了更高的要求[12]，因此对马氏体不锈钢耐腐蚀性能的研究是十分必要的。

本文中选择了马氏体不锈钢3Cr13Mo和3Cr13作为对比试验，研究了马氏体不锈钢的耐腐蚀性能及Mo元素的添加对马氏体不锈钢耐蚀性的影响。

1 试验材料及试验方法

1.1 试验材料

试验用不锈钢3Cr13和3Cr13Mo为我国某大型钢铁企业热轧不锈钢板材，化学成分如表1所示。

表1 试验用钢的化学成分（质量分数，%）

1.2 试验过程

首先用线切割机将试样加工成10 mm×10 mm×10 mm的长方体，用金相砂纸依次将试样6个面打磨平整，测量出试样的尺寸，并用丙酮去除试样表面的油污，晾干；把6%的FeCl3溶液分别按面积比装入两个烧杯中，放入恒温浴中保温30 min，等FeCl3溶液温度达到30℃时，将6个试样3个1组，完全浸泡在两组腐蚀液中，保温30℃腐蚀72 h。选择3组平行试验，求平均值获得较为准确的数据对比，通过腐蚀后形貌对比和失重率来比较两种钢种的耐腐蚀性。利用JSM-6700F型场发射扫描电子显微镜观察腐蚀后试样表面形貌，通过PS-16A型电化学测试系统，对试样进行极化腐蚀实验，将不锈钢和导线进行连接，并用丙烯酸酯涂在各个面进行包裹，暴露其中一个面，面积10 mm×10 mm，使用金相砂纸将试样逐级打磨至1200#，用水清洗试样的表面，并用脱脂棉沾丙酮擦拭，晾干。参比电极为甘汞电极，对比电极为铂电极，试样为工作电极。腐蚀液选用质量分数为5%NaCl的水溶液，室温操作。

2 实验结果及分析

2.1 马氏体不锈钢的显微组织

图1 为马氏体不锈钢3Cr13和3Cr13Mo的金相显微组织。图中白色为铁素体基体，黑色为被腐蚀碳化物，由于热轧态的马氏体不锈钢发生了塑性变形，晶粒发生了位移和层错，所以在经过腐蚀，晶粒的分布表现为方向性，3Cr13、3Cr13Mo的金相组织差别不大，珠状碳化物比较均匀弥散在整个基体上，而整体表现为方向性，如箭头所示。

图1 试样的金相组织

2.2 马氏体不锈钢在6%FeCl3溶液中的腐蚀行为

图2 为马氏体不锈钢在6%FeCl3溶液中的腐蚀失重量与时间的关系图。

图2 热轧态马氏体不锈钢在FeCl3中的腐蚀失重

从图2可以看出，3Cr13单位面积失重大于3Cr13Mo，两种试样在前12 h的失重速率都较快，随着时间的增大，各自的失重速率逐渐减小，但3Cr13Mo的失重速率明显小于3Cr13。这说明3Cr13Mo在强氧化剂FeCl3溶液中的耐腐蚀性能优于3Cr13，不锈钢中加入钼，会增加铬的钝化作用，提高不锈钢在酸性物质中的抗腐蚀性能[11]。马氏体加入钼后，抗氯离子腐蚀性能也得到提高。

图3 和图4为马氏体不锈钢3Cr13和3Cr13Mo在6%FeCl3溶液中腐蚀不同时间后的宏观形貌。通过观察腐蚀宏观形貌可知，热轧导致马氏体不锈钢发生层错和晶粒的延伸，腐蚀形貌腐蚀坑表现出明显的方向性，并且很均匀沿着热轧方向延伸。随着腐蚀的时间的延长，腐蚀坑在变大，从图中很显然可以看出3Cr13Mo的腐蚀坑明显要比3Cr13的腐蚀坑小。

图3 马氏体不锈钢在FeCl3溶液中腐蚀12 h的宏观形貌

图4 马氏体不锈钢在FeCl3中的腐蚀36 h形貌

图5 为试样腐蚀36 h后的SEM图，从图5可以看出，腐蚀后腐蚀坑的形貌延轧制方向呈纵向长条状，但3Cr13Mo的腐蚀坑较小。通过能谱分析发现腐蚀坑表面和基体成分基本相同，主要为铁和铬，同时因为产生氧化生成氧化铁，所以含有少量的氧，而3Cr13Mo的中则含有少量的钼。

图5 马氏体不锈钢在FeCl3中的腐蚀36 h表面SEM形貌图

2.3 马氏体不锈钢的极化腐蚀

3Cr13和3Cr13Mo马氏体不锈钢的极化曲线如图6所示。

图6 马氏体不锈钢3Cr13和3Cr13Mo极化曲线

通过图6分析可知，3Cr13Mo的腐蚀电位比3Cr13的高，表明钼对马氏体不锈钢的强度韧性和耐腐性能都是有利的，钼对于腐蚀电位是有利因素，腐蚀电位的提高就说明电化学反应的阴极和阳极在没有极化的情况下标准电压差减少，所以钼在热力学上有减少电化学腐蚀的趋势。这是因为Mo有起到减少奥氏体区的作用，而且钼在基体中也和碳结合，形成碳化物，并且钼与碳的结合能力要大于铬与碳的结合力，所以在钢中加入钼可以减少碳结合铬造成铬贫化的影响[11，12]。

铬也会在基体中含量增加并且更加均匀，这样钼的加入会使不锈钢的耐腐蚀性能得到提高。

3 结论

1）钼的加入使马氏体不锈钢的抗FeCl3腐蚀性能得到一定的提高，钼的加入同时也使马氏体的腐蚀坑减小，这可能是由于钼能够促使马氏体晶粒变小，从而抗腐蚀性能提高。

2）钼的加入使得马氏体不锈钢的腐蚀电极电压变高，但是由于钼与铬的作用，3Cr13Mo的腐蚀电极电流减小，所以加入钼也增加了其抗电化学腐蚀性能。

［1］孔见.钢铁材料学［M］.北京：化学工业出版社，2008，131-133

［2］薄鑫涛.不锈钢钢种发展的一些动向［J］.热处理，2007，22（ 4）：5-9

［3］徐增华.金属耐蚀材料［J］.腐蚀与防护，2001，22（5）：229-231

［4］李剑平,李伟,张宏宾.430不锈钢板材显微组织特征及其对腐蚀性能的影响［J］.材料热处理技术，2011，40（6）：26-28

［5］朱朝明,田劲松.铁素体不锈钢晶间腐蚀试验方法的探讨［J］.材料保护，2008，41（10）：14-16

［6］刘继明，梁建宇.合金元素对铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响［J］.山西冶金，2005（11）：9-12

［7］张 海，江海涛.00Cr12Ti铁素体不锈钢耐点蚀性能研究［J］.材料热处理技术，2009，11（20）：31-34

［8］Marchetti L，Herms E，Laghoutaris P.Hydrogen embrittlement susceptibility of tempered 9%Cr-1%Mo steel［J］.International journal of hydrogenenergy，2011（36）:15880-15887

［9］易邦旺，钱学君，朗文运，等.镍含量对13Cr型低碳马氏体不锈钢性能的影响［J］.金属功能材料，1997（2）：75-78

［10］陆世英.在腐蚀环境中不锈钢的合理选择［J］.钢铁，1985,20（12）：3-16

［11］Calliari I，Zanesco M，Dabala M.Investigation of microstructure and properties of a Ni-Mo martensitic stainless steel［J］.Materials and Design,2008（29）：246-250

［12］徐文亮，唐豪清，孙元宁.合金元素对2Cr13马氏体不锈钢组织及性能的影响［J］.宝钢技术，2008（5）：39-43