不锈钢金相腐蚀剂的选择

王俊海,朱 荣,姚占山,庞宗旭

(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083)

不锈钢金相腐蚀剂的选择

王俊海,朱 荣,姚占山,庞宗旭

(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京100083)

介绍了不锈钢金相浸蚀剂的选择依据,和常见铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢腐蚀中存在的问题,以及金相组织显示效果较好的浸蚀剂,为金相分析者快速准确检验不锈钢组织提供参考依据。

不锈钢;浸蚀;金相;组织

1　引言

不锈钢试样的浸蚀较磨光与抛光难度更大,原因是钢的耐蚀性好,显示基体的晶界比较困难,特别是奥氏体不锈钢、超低碳不锈钢等难以显示完整的晶界。不锈钢的组织类型很多,除了不同的基体组织外,还常出现δ铁素体,少量的碳化物及金属间化合物,它们对钢的性能有重要影响。由于各个相的形态没有明显的特点,所以用一般的浸蚀剂难以鉴别[1]。

快速、准确地显示各相组织,满足分析检验工作的需要,要求试验人员能够根据钢种选择适当的浸蚀剂,保证试验结果的准确性。试剂选择不当、组织显示不佳都将增加检验人员劳动量,如何根据钢种选择浸蚀剂成为不锈钢金相检验的难点,本文就目前检测量较大的钢种浸蚀剂的选择进行研究。

2　化学浸蚀原理

不锈钢金相组织常用的显示方法有化学浸蚀法和电解浸蚀法,而我们最常用的是化学浸蚀。化学浸蚀是将抛光好的试样磨面浸入化学试剂中或用化学试剂擦拭试样磨面,使之显示出显微组织的一种方法,这是应用最早和最广泛的常规显示方法。

化学浸蚀实际上是一个电化学反应过程,是借试样各组织组成物间物理化学性质的差别,使其表面产生选择性浸蚀的方法,此时试样表面的微观起伏与其内部组织相对应,从而显示出组织特征。金属与合金中的晶粒与晶粒之间、晶内与晶界以及各相之间的物理化学性质不同,且具有不同的自由能,当受到浸蚀时,会发生电化学反应,此时浸蚀剂可称为电解质溶液。由于各相在电解质溶液中具有不同的电极电位,形成许多微电池,较低电位部分是微电池的阳极,溶解较快,溶解处呈现凹陷或沟槽,使相或组成间的衬度增大。在晶粒平面处的光线则以直接反射光反射进入物镜,呈现白亮色从而显示出晶粒的大小和形状。

3　选择浸蚀剂的原则

通常浸蚀剂的浸蚀能力主要决定于溶液中氧化性离子本性,而不是浓度。因此,调整浸蚀时的浸蚀能力,主要手段是改变氧化性离子的种类和配比[2]。要想清晰地显示组织的稳定性,需适当地选用浸蚀剂。若被显示组织的稳定性高,应选用浸蚀能力较强的浸蚀剂,但这并不意味着在任何情况下都选用电位高的浸蚀剂,如不恰当地选用,往往会显示不出电化学行为差异小的细微组织,达不到区分合金组织细节的目的。

浸蚀剂种类繁多,选用时应根据材料类别、检验目的及操作者的经验,以清晰地显示出组织为主要目的,还应考虑到无毒、挥发性小、易于保存等因素。

3.1铁素体不锈钢金相腐蚀剂的选择

410S和430均属于铁素体不锈钢,一般用三氯化铁盐酸水溶液(三氯化铁5g+盐酸20ml+水100ml)来显示其组织和晶界,但用三氯化铁浸蚀时试样面常常出现很多黑点(见图1),这种黑点的出现不仅影响试样的观察,也会误导检验者而增加分析难度。三氯化铁浸蚀时试样基体中以氧化物为核心、硫化物为外壳的复合型夹杂物降低钢的耐点蚀性,尤其不耐Cl-腐蚀,这种硫氧复合夹杂物腐蚀脱落后形成的微孔,且随着浸蚀时间的延长微孔扩大,导致试样面上出现大量的黑点。

通过采用不同浸蚀剂进行大量的对比试验,最终采用苦味酸盐酸酒精溶液(1g苦味酸+5ml盐酸+100ml酒精)浸蚀后试样组织较清晰(见图2),不仅避免了腐蚀黑点的产生,而且减轻了位向对腐蚀的干扰。

图1　三氯化铁盐酸水溶液腐蚀组织

3.2奥氏体不锈钢金相腐蚀剂的选择

常见的奥氏体不锈钢主要有300系列Cr-Ni奥氏体不锈钢和200系列Cr-Mn-N奥氏体不锈钢。300系列主要钢种有304、304L、316L、310S、321,200系列奥氏体不锈钢有J4、TS21、201等。

图2　苦味酸盐酸酒精溶液腐蚀组织

因奥氏体不锈钢加入的微合金多,成分复杂,耐腐蚀,需选择强氧化性的浸蚀剂,王水一度成为腐蚀奥氏体不锈钢的首选试剂。王水配置后具有较强的挥发性和氧化性,导致实验室内设备产生锈蚀现象,由于王水强腐蚀性导致基体中夹杂物脱落成为孔洞(见图3),容易导致误判。通过反复试验发现苦味酸盐酸酒精溶液(1g苦味酸+5ml盐酸+ 100ml酒精)腐蚀奥氏体不锈钢具有较好的效果(见图4),但腐蚀时间略长。采用苦味酸盐酸溶液(20g苦味酸+100ml盐酸)能较快的显示基体组织,且具有较好的腐蚀效果。

图3　王水腐蚀组织

图4　苦味酸盐酸酒精溶液腐蚀组织

奥氏体不锈钢中δ铁素体对材料的塑性、耐蚀性影响较大,尤其对热塑性影响更为严重,往往由于加热温度、成分控制不当,导致δ铁素体数量增多而产生边部开裂、表面线裂等缺陷,准确测定δ铁素体含量具有重要指导作用。采用奥氏体不锈钢常用腐蚀剂往往会腐蚀过度,导致铁素体脱溶,形成孔洞,且与夹杂物不易区分,经过对多种试剂、方法进行试验,发现用10%NaOH溶液进行电解腐蚀能很好地显示δ铁素体相(见图5)。

图5　δ铁素体

3.3双相不锈钢金相腐蚀剂的选择

双相不锈钢要求奥氏体相和铁素体相含量各在50%左右,用王水、三氯化铁等溶液腐蚀,可以比较清楚区分铁素体相和奥氏体相[3]。同时此化学浸蚀剂能显示出部分的奥氏体晶界和部分的铁素体晶界(见图6)。用王水等腐蚀剂虽然能够清楚地区分两相,但两相的对比度相差不大,无法应用图像分析软件准确测定相含量。用KOH 30 g,K3Fe (CN)630 g,H2O 100 m L配置的溶液[4]。在95℃腐蚀5 s,铁素体相呈红褐色,奥氏体不受侵蚀(见图7)。用这种腐蚀剂腐蚀的组织便于区分,同时可用金相分析软件快速、准确地测出相比例。

图6　王水腐蚀组织

图7　染色腐蚀组织

4　金相浸蚀注意事项

腐蚀试样时抛光试面浸入盛有浸蚀剂溶液的玻璃皿中,不断摆动,但不能擦伤表面。达到一定的时间后,取出立即用热水冲洗,再用酒精漂洗,并用热风吹干。浸蚀时应注意观察试样表面情况,一般当镜面失去光泽变成灰暗即可,时间常从几秒到几分钟。高倍观察宜浅浸蚀,低倍观察可深些,以在显微镜下能清晰显现组织为准。

浸蚀后应快速冲洗、吹干,使水在试样表面停留最短暂的时间,否则试样表面会有水迹残留,有时会错误地认为是附加相,影响正确地检验。当试样浸浊不足,浸蚀得太浅时,最好重新抛光后再浸蚀。如果不经抛光重复浸蚀,往往在晶粒界形成“台阶”,在高倍显微镜头下,能够看见伪组织;当试样经过浸蚀,浸蚀得太深时,必须抛光后再浸蚀.必要时还要回到细砂纸上磨光。

[1] 张红霞,马勤,王佳,等.双相不锈钢材料的常用化学浸蚀剂[J].材料热处理技术,2009,38 (16):42-44.

[2] 蔡云卓.金及其合金的金相化学浸蚀实践[J].贵金属,2001,22(4):39-41.

[3] 李学峰,杨之勇.双相不锈钢彩色显微组织的显现方法[J].热处理,2009,24(4):67-69.

[4] 陈国虞,周金鸿.高速船用高强度双相不锈钢[J].热处理,2006,21(4):12-16.

Research on the Selection of Stainless Steel Metallographic Etchant

WANG Jun-hai,ZHU Rong,YAO Zhan-shan,PANG Zong-xu
(Shandong Taishan Iron and Steel Group Co.,Ltd.,Laiwu 271100,Shandong,China)

In this paper,the selection of stainless steel metallographic etchant was introduced. Some common problems existed in ferrite stainless steel and austenitic stainless steel etched by usual etchant,so the proper etchant was researched by a lot of experiments.The new etchant would contribute to the accurate detection of stainless steel metallographic microstructure.

stainless steel;etch;metallography;microstructure

1001-5108(2016)02-0060-04

TG142

A

王俊海,高级工程师,主要从事不锈钢研究开发方面的工作。