固溶处理温度对2507双相不锈钢组织结构及耐蚀性能的影响*

郑传波，陈　曦

(江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江　212003)



固溶处理温度对2507双相不锈钢组织结构及耐蚀性能的影响*

郑传波**，陈曦

(江苏科技大学材料科学与工程学院，江苏镇江212003)

【目的】现代工业的飞速发展对双相不锈钢的使用要求越来越高，为扩大2507双相不锈钢(DSS2507)的实际应用，本研究探讨固溶处理温度对DSS2507组织结构、硬度及耐蚀性能的影响。【方法】通过定量金相法及硬度法研究固溶处理温度对DSS2507显微组织结构以及硬度的影响；通过电化学实验分析固溶处理温度对DSS2507抗腐蚀能力的影响。【结果】随着固溶处理温度的上升，铁素体α相含量增多而奥氏体γ相含量减少，固溶处理温度为1 050～1 100℃时可使钢中铁素体相跟奥氏体相的比例达到1:1。固溶处理温度为1 000～1 050℃时DSS2507的硬度降低；但固溶处理温度从1 050℃升高到1 200℃时，其硬度又逐渐升高。另外，随着固溶处理温度从1 000℃升高到1 200℃，DSS2507的耐均匀腐蚀和点蚀性能先增强后减弱，1 050℃处理的DSS2507抗电化学腐蚀性能最优。【结论】固溶处理温度为1 050～1 100℃时可以使DSS2507两相比例达到1:1，经1 050℃固溶处理的DSS2507抗电化学腐蚀性能最优。

固溶处理温度2507双相不锈钢腐蚀行为

0　引言

【研究意义】双相不锈钢为一类同时具有铁素体α相及奥氏体γ相两种显微组织的钢种，在固溶组织中两相的相比例约为1:1，且通常情况下这两相中量少相的含量要求至少不低于30%。双相不锈钢的性能特点在于其抗蚀能力较优、强度高且加工性能较佳。跟铁素体不锈钢比较，双相不锈钢的塑性、韧性、焊接性能及耐晶间腐蚀性能都显著增强[1]，所以双相不锈钢材料发展迅速，且被广泛地应用在造纸业、石油开采业、海洋运输业、军事以及化工等领域，同时也引发科研工作者对双相不锈钢的广泛关注[2-8]。【前人研究进展】双相组织于1927年被国外的Griffiths及Bain最先发现，20世纪30年代双相不锈钢开始被发展应用，1935年法国取得Uranus 50钢种的专利。赵辉等[9]研究DSS2205抗腐蚀能力以及微观组织在不同时效时间和不同热处理温度下的变化，结果显示固溶处理温度达到1 060℃时DSS2205中的两相比例接近1:1，此时DSS2205拥有最佳的抗点腐蚀性能，并且DSS2205中的σ相含量随着时效时间的延长而变多，时效时间的增长减弱DSS2205的抗点蚀能力。张敏等[10]研究双相不锈钢在10%(V/V)硫酸溶液、10%(V/V)盐酸溶液中的抗腐蚀性能和腐蚀发生行为，结果表明双相不锈钢在HCl介质中的抗蚀性能较差，而在H2SO4介质中的抗蚀性能较强，这是因为在H2SO4溶液中双相不锈钢表面能够形成Cr-O、Cr2O3、FeO等氧化物，阻碍钢腐蚀的发生。Ezuber等[11]研究DSS2205在20℃、50℃以及80℃温度下的耐孔蚀性能。do Nascimento等[12]研究铸造双相不锈钢ASTM890 grade 1A在475℃和850℃下于3.5%NaCl溶液中的临界点蚀温度，结果显示双相不锈钢的化学成分和组织共同影响临界点蚀温度的变化。【本研究切入点】热处理温度对各种金属结构材料的显微组织结构及性能都有着较大的影响[13-14]，因此研究固溶处理温度对2507双相不锈钢(DSS2507)的组织及其耐蚀性能的影响具有较大的现实意义。【拟解决的关键问题】通过定量金相法、硬度法及电化学实验研究固溶处理温度对DSS2507双相不锈钢性能的影响，分析固溶处理温度对DSS2507双相不锈钢在3.5%(W/V)NaCl腐蚀溶液中抗腐蚀能力的影响。

1　材料与方法

1.1材料

实验所用材料为DSS2507，其主要化学成分如表1所示。实验所需主要设备：Sx2-10-12箱式电阻炉(中国上海实研电炉有限公司)，Gamry Reference 600电化学工作站(美国Gamry公司)，BSA系列电子天平(德国赛多利股份公司)，OlymPus-PM3光学显微镜(日本奥林巴斯公司)。

表1DSS2507主要化学成分(质量分数，%)

Table 1Main chemical composition of DSS2507(mass fraction，%)

元素ElementCSiMnSPCrNiMoN含量Content0.0210.530.970.0010.02525.027.133.70.27

1.2方法

1.2.1固溶处理

将实验材料分别在1 000℃、1 050℃、1 100℃、1 150℃、1 200℃下处理0.5 h，然后进行水冷。热处理试验于Sx2-10-12箱式电阻炉中进行，高温炉的额定功率为10 kW，额定电压380 V，额定温度1 200℃，炉膛尺寸为400 mm×250 mm×160 mm。

1.2.2金相实验

将经过热处理的直径1 cm、高1 cm的金相试样依次采用500#～2000#水磨砂纸对工作面进行打磨，随后进行机械抛光,并用腐蚀液(偏重亚硫酸钾20 g、盐酸10 mL、蒸馏水90 mL)对工作面进行腐蚀。

通过OlymPus-PM3光学显微镜分析不同固溶态金相试样的组织特点，采用Image-Pro Plus 6.0图像分析软件测定2507双相不锈钢在不同固溶温度下的相比例。

1.2.3硬度实验

测量试样的洛氏硬度，比较固溶温度对试样硬度的影响。

1.2.4电化学实验

使用环氧树脂将制备试样的非工作面进行封装，试样裸露出来的工作段面积是1.96 cm2。采用Gamry Reference 600电化学工作站进行电化学实验。实验采用传统的三电极体系，试样为工作电极，铂电极为辅助电极，饱和甘汞电极为参比电极。

(1)动电位极化曲线测试

实验前将测试样浸泡在腐蚀介质(30℃，3.5%NaCl溶液,W/V)中0.5 h左右，待开路电位比较稳定后开始极化曲线的测量。扫描速率为1 mV/s，扫描范围为-0.2～1.5 V(vs.OCP)。

加强农用地管理，合理引导农用地内部结构调整，优化土地利用结构，不断提高土地生产能力。生态脆弱地区要加强林草地保护。加强重点地区基本农田整理和农村建设用地整理，提高土地质量，改善土地生态环境，提高耕地的农业综合生产能力。

(2)电化学阻抗测试

阻抗测试所需的电极、实验介质以及实验温度与动电位扫描一致。交流阻抗的测量频率范围是3 mHz～100 kHz，以幅值为5 mV的正弦波作为激励信号。

2　结果与分析

2.1固溶处理对DSS2507 σ相的影响

从图1可以清晰地得知，当固溶温度为1 000℃时，铁素体相与奥氏体相两相相界处有σ相析出，当固溶处理温度升高到1 050℃时σ相已经溶解。另外从表2可知,固溶处理温度的增高会导致σ析出相含量降低，当固溶处理温度大于1 050℃时σ相已经完全溶解。这是由于固溶处理温度的升高使钢中铁素体α相量增多，导致σ相形成元素铬和钼在铁素体α相中的浓度降低，进而导致σ相的形成受抑制[15-16]。σ相硬且脆，会大幅度减弱材料的塑性与韧性，并且σ相富集Cr，很容易在其周围产生贫Cr区，降低DSS2507的抗腐蚀性能[17]，所以σ相为DSS2507析出相中危害最大的相，因此在实际应用过程中要想将2507双相不锈钢中的热轧态σ相完全消除所选用的固溶温度不能低于1 050℃。

图1不同固溶处理温度下的DSS2507金相组织

Fig.1Metallographic structure of DSS2507 after solution treatment at different temperatures

表2不同固溶处理温度下的DSS2507相比例

Table 2Phase proportion of DSS2507 after solution treatment at different temperatures

固溶处理温度Solutiontreatmenttemperature(℃)相比例Phasecontant(%)α相γ相σ相100041.653.25.2105047.752.30.0110053.146.90.0115056.643.40.0120065.734.30.0

2.2固溶处理温度对2507双相不锈钢两相组织的影响

从图1可知奥氏体γ相(浅色组织)首先表现为长条状，随着固溶处理温度的升高而逐渐变短，变成岛状分布在基体铁素体α相(深色组织)上面。从表2中给出的相比例测量结果可知，钢中铁素体α相量随固溶处理温度的升高而上升，奥氏体γ相量随着固溶温度的上升而下降，这是由于随固溶处理温度的升高，奥氏体逐渐转变为铁素体组织，因此在较高的固溶处理温度下2507双相不锈钢组织为单一的铁素体。此外，当固溶处理温度为1 000～1 050℃时奥氏体γ相比例减小得比较缓慢，随固溶处理温度的升高奥氏体γ相含量减少的趋势加快，这是因为2507双相不锈钢中的N元素是奥氏体形成元素，在较低的固溶处理温度下能抑制奥氏体相向铁素体相转变[18-20]，而固溶处理温度的升高会使N元素稳定奥氏体相的作用逐渐减弱，进而导致奥氏体γ相向铁素体α相的转变速度加快。

DSS2507中的奥氏体相和铁素体相的相比例主要受固溶处理工艺以及自身化学成分的影响，在钢的主要化学成分确定的情况下，两相的相比例与固溶处理工艺有着密切联系[21]。DSS2507的相比例又影响其自身的性能，其塑性随着铁素体含量的增多而减弱、耐应力腐蚀能力随着奥氏体含量升高而减弱[22]；当铁素体α相跟奥氏体γ相的相比例接近1:1时，双相不锈钢的综合性能最佳，有较好的抗腐蚀能力以及较优的力学性能[23]。从表2可知固溶处理温度在1 050～1 100℃时可以使钢中两相的组织比例达到1:1，且1 050℃时铁素体α相跟奥氏体γ相比例最接近1:1，因此合适的固溶处理温度能使DSS2507中两相的相比例达到1:1。在实际应用过程中，为使DSS2507获得较好的综合性能，进行固溶处理时选取的温度宜为1 050～1 100℃。

2.3固溶处理温度对DSS2507硬度的影响

图2不同固溶处理温度下的DSS2507硬度

Fig.2Hardness of DSS2507 after solution treatment at different temperatures

2.4固溶处理温度对DSS2507电化学腐蚀性能的影响

2.4.1极化曲线

从图3可知，不同固溶处理温度下DSS2507的极化曲线形状大体相同，都具有明显的钝化区域，且钝化区域都较宽。击破电位(Eb，又称点蚀电位)指金属材料最先产生点腐蚀的电位[26]，其值愈高表明材料产生孔蚀的倾向愈低，国家标准GB 4334.9—1984规定阳极极化曲线上与电流密度100 μA/cm2对应的电位即为击破电位(Eb)[27]。从表3可知，DSS2507在3.5%(W/V)NaCl溶液中的点蚀电位(Eb)随着固溶处理温度的上升先变大后减小，1 050℃时点蚀电位最高，表明在该固溶处理温度下DSS2507发生点蚀的倾向较低。固溶处理温度为1 000℃时DSS2507中铁素体相跟奥氏体相界处有σ相析出，其附近较易形成贫铬及贫钼区域，造成该固溶处理温度下钢的抗点腐蚀能力较弱[16]；1 050℃时DSS2507中的两相结构(铁素体α相及奥氏体γ相)分布较均匀，相比例约为1:1，有利于钢表面钝化膜的稳定，对点蚀具有较好的抑制作用，表现为点蚀电位Eb值较高；然而随固溶处理温度继续上升，铁素体α相量增多，奥氏体γ相量减少，导致铁素体形成元素Cr和Mo的浓度减小，而奥氏体形成元素N浓度升高，使得Cr、Mo和N在这两种组织结构中的分布变得不均匀，由于Cr、Mo和N是钢的主要耐点蚀元素，所以钢的耐腐蚀能力降低，具体表现为点蚀电位Eb值降低，所以在1 050～1 200℃时DSS2507双相不锈钢的点蚀电位呈下降趋势。

此外，从表3中列出的(Eb-Ecorr)值可以看出其变化趋势跟Eb值的变化趋势相同，都呈先升高后下降的趋势。由于(Eb-Ecorr)值表示形核阻力的大小[28]，所以由(Eb-Ecorr)值的变化趋势可知点蚀形核的阻力也是先变大后减小，即随着固溶温度的升高，钢的抗点蚀性能先增强后减弱。再者，随固溶处理温度的上升，自腐蚀电流密度(Icorr)先变小后变大再变小，在1 050℃时自腐蚀电流密度最低为3.5367×10-7A/cm2(表3)，表明固溶处理温度为1 050℃时DSS2507有较好的抗腐蚀能力。

图3不同固溶态的DSS2507于3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线

Fig.3Potentiodynamic polarization curves of DSS 2507 in 3.5% NaCl solution after solution treatment

表3DSS2507在不同温度下固溶处理30 min 后的点蚀电位(Eb) 、自腐蚀电位(Ecorr)及自腐蚀电流(Icorr)

Table 3Pitting potentials，corrosion potentials and corrosion current of DSS2507 after solution treatment at different temperatures

固溶处理温度Solutiontreatmenttemperature(℃)Eb(Vvs.SCE)Ecorr(Vvs.SCE)Icorr(A/cm2)(Eb-Ecorr)(V)10000.9464-0.3729.9538×10-71.318410501.01-0.415843.5367×10-71.4258411000.9815-0.42288.1905×10-71.404311500.9798-0.39276.8573×10-71.372512000.9795-0.348835.0435×10-71.32833

2.4.2交流阻抗测试

从图4中可以很明显看出随固溶处理温度的增高，容抗弧半径先增大后减小，1 050℃时容抗弧半径最大。容抗弧半径越大表明电荷在金属-溶液界

图4不同固溶态DSS2507于3.5%NaCl中的阻抗曲线

Fig.4The nyquist plots of DSS2507 in 3.5%NaCl solution after solution treatment at different temperatures

面转移时所受到的阻力越强，意味着金属的抗蚀性能愈优。因此，从容抗弧半径的改变趋势可知，固溶处理温度升高使DSS2507的耐蚀性能先变强后减弱，1 050℃时DSS2507的抗腐蚀性能最优。

不同固溶态的DSS2507在3.5%(W/V)NaCl溶液中的等效电路如图5，采用的是R(C(R(CR)))，Rs为参比电极和工作电极间的溶液电阻。采用ZsimpWin软件对等效电路模拟计算得到各元件的数值(表4)，其中，双电层电容(Cdl)及钝化膜电容(Cf)随固溶温度的升高呈先减小后增大的趋势；电荷转移电阻(Rct)和钝化膜电阻(Rf)呈先变大后减小的趋势，即电化学反应阻力随固溶处理温度的增高先增强后减小，DSS2507的抗腐蚀性能也表现为先变强后变弱。1 000℃时钢的相界处有σ相析出，σ相硬而脆降低了钢表面钝化膜的稳定，因此DSS2507具有较低的钝化膜电阻(Rf)；1 050℃时钢中的两相比例约为1:1，两相分布较均匀且成分稳定，有利于钝化膜的稳定，具体表现为钝化膜电阻(Rf)较高，表明此刻离子迁移时所受阻力较大，进而DSS2507的抗腐蚀能力最佳；固溶处理温度的进一步升高使钢中的两相比例失调，表现为铁素体相含量大幅升高奥氏体相含量减小，不利于钢表面钝化膜的稳定，导致钝化膜电阻(Rf)减小，实际表现为钢的抗蚀性能下降，这与动电位扫描获得的结论一致。

图5交流阻抗等效电路图

Fig.5Equivalent circuit used for modeling the EIS results

表4不同固溶态DSS2507的EIS等效电路拟合数据

Table 4Results of EIS method for DSS2507 after solution treatment at different temperatures

固溶处理温度Solutiontreatmenttemperature(℃)Rs(ohm·cm2)Cdl(F/cm2)Rct(ohm·cm2)Cf(F/cm2)Rf(ohm·cm2)10007.9533.086×10-520193.347×10-54.654×10410506.852.319×10-535363.169×10-57.6×10411008.353.158×10-518404.012×10-55.87×10411506.9263.506×10-5499.27.217×10-5504712009.393.935×10-52079.488×10-54469

3　结论

(1)固溶处理温度为1 000℃时，在DSS2507双相不锈钢铁素体相和奥氏体相相界处有σ相析出，固溶处理温度的增高能够让σ相溶解于基体中。在实际应用过程中要想将DSS2507中的热轧态σ相完全消除所选用的固溶温度要高于1 050℃。

(2)随固溶处理温度的增高，DSS2507中的铁素体相量增多而奥氏体相含量降低，固溶处理温度在1 050～1 100℃时可以使DSS2507两相比例达到1:1。在1 050℃时DSS2507中铁素体相与奥氏体相的相比例最接近1:1。

(3)随固溶处理温度的升高，DSS2507的硬度呈曲线变化，1 000～1 050℃时硬度下降，1 050～1 200℃时硬度增高。

(4)从动电位极化曲线可知随着固溶温度的升高，点蚀电位(Eb)、自腐蚀电位(Ecorr)及(Eb—Ecorr)值都呈先升高后降低的趋势，自腐蚀电流(Icorr)则表现为先降低后升高再减弱的趋势；DSS2507的耐均匀腐蚀性能及耐点腐蚀性能随着固溶温度升高呈先增强后减弱的变化，1 050℃时DSS2507有较优的抗蚀能力。交流阻抗测试结果显示容抗弧半径随固溶处理温度的上升先变大后减小，即DSS2507的抗腐蚀性能随固溶处理温度的上升先增强后减弱，跟动电位极化曲线所得的结论一致。

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(责任编辑：米慧芝)

Effect of Solution Treatment Temperature on Microstructure and Corrosion Resistance of 2507 Duplex Stainless Steel

ZHENG Chuanbo,CHEN Xi

(School of Material Science and Engineering，Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang，Jiangsu，212003，China)

【Objective】With the rapid development of modern industry,more and more requirements are put forward for the use of duplex stainless steel.Therefore,in order to enlarge the applicable range of 2507 duplex stainless stell (DSS2507),the research investigated the effect of solution treatment temperature on the microstructure,hardness and corrosion resistance of DSS2507.【Methods】We used quantitative metallography and hardness methods to study the effect of solution treatment temperature on the microstructure and hardness; in addition,used electrochemical tests to study the effect of solution treatment temperature on corrosion resistance of DSS2507.【Results】Quantitative metallographic analysis showed that with the solution treatment temperature rising,alpha phase content increased and the content of austenite phase reduced.When solution treatment temperature was 1 050℃ to 1 100℃,phase proportion of ferrite phase and austenitic phase reached 1:1;when solution treatment temperature was 1 000℃ to 1 050℃,hardness of DSS2507 decreased;when solution treatment temperature increased from 1 050℃ to 1 200℃,hardness increased gradually.Electrochemical tests showed that with the solution treatment temperature increasing from 1 000℃ to 1 200℃,uniform corrosion resistance and pitting corrosion resistance of DSS2507 increased firstly and then decreased,when the solution treatment temperature was at 1 050℃,the sample had the best electrochemical corrosion resistance.【Conclusion】When the solution treatment temperature was 1 050-1 100℃,the two-phase ratio could reach 1:1,and when the solution treatment temperature was at 1 050℃,the sample had the best electrochemical corrosion resistance.

solution treatment temperature，2507 duplex stainless steel，corrosion resistance

2016-05-24

2016-07-14

郑传波(1980-)，男，副教授，主要从事金属材料腐蚀防护研究。

TG142.71,TG156.94

A

1002-7378(2016)03-0161-07

网络优先数字出版时间:2016-08-26【DOI】10.13657/j.cnki.gxkxyxb.20160826.011

网络优先数字出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/45.1075.N.20160826.1049.022.html

*江苏省自然科学基金项目(BK20141292)资助。

**通讯作者：E-mail:15952802516@139.com。