固溶温度对水利工程用00Cr25Ni7Mo4N双相不锈钢组织及性能的影响

(1. 西藏职业技术学院，拉萨 850000；2. 西藏大学，拉萨 850000)

水利工程是用于控制和调配自然界的地表水和地下水，达到除害兴利目的而修建的工程。随着近年来国民经济的快速发展和水利工程行业的持续增长，各种水利工程新材料、新工艺和施工方法等都不断被发掘，并在现代化水利工程中得以应用，推动着我国水利工程建设的良性发展[1]。对于水利工程用钢而言，需要经受气象、水文、地质以及外加应力作用等因素的影响，因此在实际应用中，水利工程用钢常常面临着不同形式的腐蚀破坏问题，尤其是紧邻海边的水利工程，因受海洋大气环境等因素影响，经常会发生锈蚀、局部穿孔和开裂等现象[2]，造成材料强度降低、使用寿命缩短，甚至会给人民的生命财产安全造成危害。为了保证沿海水利工程的安全性和使用寿命，亟需开发出高强经济型耐蚀双相不锈钢，而相较于法国、德国和日本等国，我国在双相不锈钢方面的研究相对较晚[3]。太原钢铁集团等国内钢企开发出了500 MPa级2205双相不锈钢并在实际工程中得以应用，但是其产品仍然存在着强度偏低、在恶劣环境中耐腐蚀性能不足等问题[4-5]。在此基础上，本工作从固溶处理角度出发，考察了固溶温度对新型超级双相不锈钢00Cr25Ni7Mo4N显微组织、力学性能和耐腐蚀性能的影响，希望有助于高强经济型耐蚀双相不锈钢的开发，并加快其在水利工程中的应用。

1 试验

1.1 试样制备

试验材料为厚16 mm的热轧态超级双相不锈钢板00Cr25Ni7Mo4N(以下简称双相不锈钢)，化学成分见表1。

表1 试验用双相不锈钢的化学成分(质量分数)Tab. 1 Chemical composition of experimental duplex stainless steel (mass fraction) %

从热轧钢板上截取15 mm×15 mm×5 mm块状试样，经过清水冲洗、酒精超声清洗和吹干后，在卡博莱特盖罗GPCMA/174型热处理炉中进行不同温度的固溶处理，温度设定在1 025～1 200 ℃，保温1 h后水冷至室温。

采用线切割方法截取热轧态和固溶态双相不锈钢试样，试样依次经砂纸打磨、金刚石研磨膏抛光、清水冲洗、酒精超声清洗、吹干后备用。

1.2 测试与表征

1.2.1 显微组织观察

将抛光和清洗后的试样置于15%(质量分数)氢氧化钠溶液中电解腐蚀30 s，用奥林巴斯GX51光学显微镜(OM)观察，并用附带Pro-Imaging图像分析软件测定不锈钢中双相含量[6]。另外，将抛光和清洗后的试样置于2.5 g高锰酸钾+8 mL浓硫酸+92 mL去离子水混合溶液中进行48 ℃水浴加热，然后在奥林巴斯GX51光学显微镜上观察晶粒尺寸。

1.2.2 力学性能测试

依据GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分 室温试验方法》标准，在MTS-810型液压伺服万能拉伸机上进行室温拉伸性能测试；依据GB/T 229—2007《金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》标准，在JB30B型摆锤式冲击试验机上进行室温冲击性能测试，测试试样为V型冲击试样(55 mm×10 mm×10 mm)；采用日立S-4800型扫描电镜(SEM)观察不同固溶热处理态双相不锈钢的组织和断口形貌；依据GB/T 230.1—2004《洛氏硬度试验方法》，在TH320型洛氏硬度计上进行硬度测试，载荷150 kg，保载时间10 s。

1.2.3 电化学测试

电化学测试在普林斯顿P4000A电化学工作站上进行，腐蚀介质为3.5%(质量分数)NaCl溶液，温度为室温。测试采取标准三电极体系：辅助电极为Pt电极、参比电极为饱和甘汞电极、工作电极为被测试样[7]。其中，极化曲线测试的电位区间为-0.5～1.5 V， 电位扫描速率为5 mV/s；电化学阻抗谱(EIS)测试的频率范围为30 kHz～40 MHz、扰动电位幅值为0.01 V。 完成测试后，分别采用Powersuite和Zsimpwin软件对极化曲线和电化学阻抗进行拟合，并取电流密度为100 μA/cm2对应的电位作为点蚀电位。

2 结果及讨论

2.1 显微组织

由图1可见：热轧态和不同温度固溶处理后双相不锈钢的显微组织都为典型的铁素体(α相)+奥氏体(γ相)双相组织，其中，铁素体为黑灰色条状，奥氏体为亮白色带状；各试样中铁素体和奥氏体的形态和分布明显不同，其中，热轧态和固溶温度为1 025～1 075 ℃的双相不锈钢中铁素体和奥氏体呈现明显变形特征，且相界还可见少量块状析出相，而固溶温度达到1 125 ℃及以上时，岛状γ相均匀分布在α相中，未发现明显块状析出相，且随着固溶温度升高，α相含量不断增大、γ相含量不断减小。

(a) 热轧态

(b) 1 025 ℃固溶

(c) 1 075 ℃固溶

(d) 1 125 ℃固溶

(e) 1 175 ℃固溶

(f) 1 200 ℃固溶

热轧态和固溶温度为1 025～1 075 ℃时，双相不锈钢中存在块状析出相，而固溶温度在1 125 ℃及以上时，相界块状析出相消失，因此对固溶温度为1 125，1 175，1 200 ℃的双相不锈钢进行α相和γ相含量统计，结果见图2。结果表明：当固溶温度为1 125 ℃时，双相不锈钢中γ相和α相的体积分数分别为52.9%和47.1%；当固溶温度为1 175 ℃时，双相不锈钢中γ相和α相的体积分数分别为50.7%和49.3%；当固溶温度为1 200 ℃时，双相不锈钢中γ相和α相的体积分数分别为46.2%和53.8%。可见，随着固溶温度升高，双相不锈钢中α相含量不断增大，而γ相含量不断减小，在固溶温度为1 175 ℃时，双相不锈钢中α相和γ相的含量接近于1∶1。

图2 固溶温度与双相不锈钢中相含量的变化曲线Fig. 2 Relationship of solution temperature with phase content in duplex stainless steel

采用Thermo-Calc软件计算双相不锈钢中不同析出相的析出温度和含量，并绘制平衡相图[8]，结果见图3。可见，当固溶温度高于1 020 ℃时，双相不锈钢中只有α相和γ相，且随着固溶温度的升高，α相含量不断增多，而γ相含量不断减少，这与图1的显微组织观察结果相吻合。

图3 双相不锈钢的平衡相图Fig. 3 Equilibrium phase diagram of duplex stainless steel

图4为热轧态和和不同温度固溶处理后双相不锈钢的晶粒形貌。对比分析可见：随着固溶温度的升高，双相不锈钢中晶粒呈现不断长大特征。在固溶温度升高至1 175 ℃时，晶粒尺寸分布最为均匀且相对较小，这主要是因为此时双相不锈钢的两相含量接近1∶1，可以互相制约对方晶粒粗化；当固溶温度升高至1 200 ℃时，双相比例失衡，某一方晶粒长大驱动力变大[9]，从而造成晶粒粗化和不均。

(a) 热轧态

(b) 1 025 ℃固溶

(c) 1 075 ℃固溶

(d) 1 125 ℃固溶

(e) 1 175 ℃固溶

(f) 1 200 ℃固溶

2.2 力学性能

由表2可见：热轧态双相不锈钢的抗拉强度、屈服强度、断后伸长率和断面收缩率分别为875 MPa、575 MPa、35%和55%，冲击功和洛氏硬度分别为289 J和98.8 HRB；相较于热轧态双相不锈钢，不同温度固溶处理后，双相不锈钢的抗拉强度、屈服强度和洛氏硬度有不同程度的减小，而断后伸长率、断面收缩率和冲击功有不同程度的增加。热轧态和较低温度固溶处理的双相不锈钢的强度和硬度较高，这主要是因为此时双相不锈钢中的变形组织出现了一定的加工硬化，且相界硬而脆的析出相和较少的铁素体含量会使得材料的强度和硬度提高[10]。在固溶温度为1 175 ℃时，双相不锈钢的抗拉强度和屈服强度较高，而断后伸长率、断面收缩率和冲击功都达到最大值，这主要是因为此时双相不锈钢中α相和γ相含量接近于1∶1，两相之间协调性最好[11]，表现出最好的韧塑性。

图5为热轧态和不同温度固溶处理后双相不锈钢的拉伸断口形貌。对比分析可见，热轧态和不同温度固溶处理后双相不锈钢的断口中都可见尺寸不等、深浅不一的韧窝和撕裂棱，整体都表现为韧性断裂特征。相对热轧态双相不锈钢而言，固溶态双相不锈钢断口中的韧窝尺寸更大、深度更深，具有相对更好的塑性；且固溶温度为 1 125～1 200 ℃时，双相不锈钢断口中的韧窝相对热轧态和固溶温度1 025～1 075 ℃ 时双相不锈钢的更深，表现出相对更好的塑性，这与力学性能测试结果相吻合。

表2 热轧态和不同温度固溶处理后双相不锈钢的力学性能Tab. 2 Mechanical properties of hot-rolled duplex stainless steel and duplex stainless steel after solution treatment at different temperatures

(a) 热轧态

(b) 1 025 ℃固溶

(c) 1 075 ℃固溶

(d) 1 125 ℃固溶

(e) 1 175 ℃固溶

(f) 1 200 ℃固溶

2.3 电化学性能

2.3.1 极化曲线

图6为热轧态和不同温度固溶处理后双相不锈钢的极化曲线，表3中列出了相应的极化曲线拟合结果。结果显示：热轧态和固溶态双相不锈钢的极化曲线相似，都有明显的钝化区间，表明材料表面已经形成了钝化膜，具有较好的耐腐蚀性能[12]，且不同状态下双相不锈钢的点蚀电位都大于1 V，表明双相不锈钢具有良好的耐点蚀性能[13]。热轧态双相不锈钢的自腐蚀电位、自腐蚀电流密度和点蚀电位分别为-0.227 6 V、3.030 μA/cm2和1.100 V；固溶温度为1 175 ℃时，双相不锈钢的自腐蚀电位最正(-0.165 5 V )、自腐蚀电流密度最小(1.204 μA/cm2)。自腐蚀电位属于热力学参数，可以表征材料腐蚀倾向的大小，而自腐蚀电流密度作为动力学参数，可直接表征腐蚀速率的大小[14]，从这个角度出发，固溶温度为1 175 ℃ 时双相不锈钢具有最佳的耐腐蚀性能。

2.3.2 电化学阻抗谱

图7为热轧态和不同温度固溶处理后双相不锈钢的电化学阻抗谱，根据图8所示等效电路对其进行拟合，拟合结果列于表4中。Rsol表示溶液电阻，R1表示钝化膜电阻，由于弥散效应的存在，用常相位角元件CPE替代纯电容，n表示弥散系数。

图6 热轧态和不同温度固溶处理后双相不锈钢的极化曲线Fig. 6 Polarization curves of hot-rolled duplex stainless steel and duplex stainless steel after solution treatment at different temperatures

图7 热轧态和不同温度固溶处理后双相不锈钢的电化学阻抗谱Fig. 7 EIS of hot-rolled duplex stainless steel and duplex stainless steel after solution treatment at different temperatures

图8 与图7中电化学阻抗谱对应的等效电路Fig. 8 Equivalent circuit diagram corresponding to EIS in figure 7

试样Rsol/(Ω·cm2)R1/(Ω·cm2)CPEY0/(×10-5Ω-1·cm2·Sn)n热轧态2.55957.9674.040 40.731 11 025 ℃固溶2.41062.3134.219 70.892 01 075 ℃固溶1.78092.0684.222 70.922 21 125 ℃固溶7.907139.1014.316 50.914 81 175 ℃固溶4.478223.6016.751 10.923 81 200 ℃固溶4.671128.5114.589 90.892 5

由图7可见：热轧态和固溶态双相不锈钢的电化学阻抗谱都表现为半圆形容抗弧，且热轧态双相不锈钢的容抗弧半径最小、固溶温度为1 175 ℃时双相不锈钢的容抗弧半径最大，而容抗弧半径越大则阻抗越大，相应地阻碍电弧传输的作用更强，可以更好地抑制点蚀反应的发生[15]。从表4可知：固溶温度为1 175 ℃ 时，双相不锈钢的钝化膜电阻最大，表明电荷转移受到的阻碍最大，抵抗腐蚀的能力最强[16]；此外，此时的弥散系数n最接近1，表明耐点蚀性能最好。因此，固溶温度1 175 ℃时双相不锈钢具有最佳的耐腐蚀性能，这与前述的极化曲线测试结果相吻合。

3 结论

(1) 热轧态和固溶温度为1 025～1 200 ℃时双相不锈钢的显微组织都为铁素体+奥氏体双相组织；热轧态和固溶温度1 025～1 075 ℃的双相不锈钢中铁素体和奥氏体呈明显变形特征，相界还可见少量块状析出相，而固溶温度达到1 125 ℃及以上时，岛状奥氏体均匀分布在铁素体相中，未发现明显块状析出相；随着固溶温度升高，双相不锈钢中铁素体含量不断增大，而奥氏体含量不断减小，在固溶温度为1 175 ℃时，双相不锈钢中铁素体和奥氏体含量接近于1∶1。

(2) 相较于热轧态双相不锈钢，不同温度固溶处理后，双相不锈钢的抗拉强度、屈服强度和洛氏硬度都有不同程度的减小，而断后伸长率、断面收缩率和冲击功都有不同程度的增大；当固溶温度为 1 175 ℃ 时，双相不锈钢的抗拉强度和屈服强度较高，而断后伸长率、断面收缩率和冲击功都达到最大值。

(3) 热轧态双相不锈钢的自腐蚀电位、自腐蚀电流密度和点蚀电位分别为-0.227 6 V、3.030 μA/cm2和1.100 V；固溶温度为1 175 ℃时，双相不锈钢的自腐蚀电位最正(-0.165 5 V)、自腐蚀电流密度最小(1.204 μA/cm2)。热轧态和固溶态双相不锈钢的电化学阻抗谱都表现为半圆形容抗弧，且热轧态双相不锈钢的容抗弧半径最小，固溶温度为1 175 ℃ 时双相不锈钢的容抗弧半径和钝化膜电阻最大，弥散系数最接近于1，具有最佳的耐腐蚀性能。