1 T磁场下回火工艺对25CrMo48V钢耐蚀性能的影响

杨赛玄, 杨晓斌, 陆盼盼, 赵 倩, 董治中, 董 纪

(1. 天津中德应用技术大学 机械工程学院, 天津 300350; 2. 天津理工大学 材料科学与工程学院, 天津 300384;3. 中国人民解放军63856, 吉林 白城 137000; 4. 天津商业大学 机械工程学院, 天津 300134)

25CrMo48V超高强度钢主要应用于石油套管,石油套管在国家经济发展中起着中流砥柱的作用[1]。这些管道常被置于恶劣的环境中,例如酸性、高盐浓度、H2S和CO2环境。如Biezma等[2]所述,大部分管道问题是由于腐蚀或材料失效所造成的。管道的腐蚀缺陷大多数是局部腐蚀,如点蚀[3-4]。传统材料会在很短的时间内被腐蚀,导致灾难性事件的发生,因此急需研制具有防腐性能的材料。有研究表明,磁场的存在可能会影响钢的腐蚀程度,这对于当前的技术和未来的研究至关重要[5]。Zhao等[6]的研究结果发现,碳钢随着磁场预处理强度的增加,腐蚀电流密度降低,腐蚀得到抑制。Akhbarizadeh等[7]的研究结果表明磁化与非磁化试样相比,磁化试样的耐蚀性能有所增加。因此,本试验在回火过程中外加1 T磁场探究25CrMo48V超高强度钢在3.5%NaCl溶液中的耐蚀性能。

1 试验材料和方法

试验用25CrMo48V超高强度钢采用电弧炉冶炼后浇注为圆坯,经过PQF技术轧制出无缝钢管,试验钢的化学成分如表1所示。试样经1000 ℃奥氏体化30 min后水冷至室温,使用线切割加工成尺寸为10 mm×10 mm×5 mm的块状试样,再分别放入有1 T磁场的强磁场高温箱式炉(SK10-Ø20 250-BYL)中进行回火处理。热处理工艺分为两种:第一种是恒定加热温度为600 ℃,保温时间分别为10、30、60、180、240 min,水冷至室温;第二种是恒定保温时间为60 min,加热温度分别为200、300、400、500、600 ℃,水冷至室温。

表1 试验钢的化学成分(质量分数,%)

使用扫描电镜(SEM)观察回火后25CrMo48V钢的显微组织。将经过热处理的试样通过CHI660E型电化学工作站测定开路电位、电化学阻抗谱和极化曲线。在室温下,工作电极是面积为1 cm2的25CrMo48V钢试样,辅助电极为铂片,参比电极为饱和甘汞电极,腐蚀环境为3.5%NaCl溶液。首先使用电化学工作站测试开路电压,待电压稳定后测试电化学阻抗谱,扫描频率设定范围为100 kHz～10 mHz,扰动电压10 mV,采用 ZSimpWin软件对阻抗谱数据进行拟合。利用CView电化学分析软件的Tafel外推法对极化曲线进行拟合,动电位极化曲线测试扫描电压范围为相对腐蚀电位±200 mV,扫描速率为0.5 mV/s,得出自腐蚀电位和自腐蚀电流密度[8]。

2 试验结果与分析

2.1 显微组织分析

图1是25CrMo48V钢试样在1 T磁场条件下进行不同时间回火后的SEM图。试样在600 ℃高温回火后,组织为回火马氏体。随着回火时间的延长,试样会发生回复,位错密度逐渐降低,造成亚晶界的合并以及板条界消失,因此,板条马氏体宽度逐渐增粗。

图1 600 ℃回火不同时间后试样的SEM图Fig.1 SEM images of the specimens tempered at 600 ℃ for different time(a) 10 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) 180 min; (e) 240 min

图2是25CrMo48V钢试样在1 T磁场条件下进行不同温度回火后的SEM图。试样在200～600 ℃回火60 min后组织为板条马氏体,随着回火温度的增加,板条马氏体增粗,试样发生回复。

图2 不同温度回火60 min后试样的SEM图Fig.2 SEM images of the specimens after tempering at different temperatures for 60 min(a) 200 ℃; (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃; (e) 600 ℃

2.2 电化学阻抗谱分析

图3(a,b)分别是试样在1 T磁场条件下进行不同回火时间和不同回火温度处理后,在3.5%NaCl溶液中的电化学阻抗谱。电化学阻抗谱可以有效地评估腐蚀产物层的防护性能[9],试样容抗弧半径的大小可以反映试样表面溶解速率大小,容抗弧半径越大,试样表面溶解速率越小,越耐蚀[10-11]。从图3中可以看出,所有试样的阻抗谱曲线形状相似。从图3(a)可以看出,随着回火时间的延长,试样容抗弧半径先增大后减小,耐蚀性呈现先上升后下降的趋势。25CrMo48V钢试样在回火时间为60 min时容抗弧半径最大,金属表面溶解速率最小,耐蚀程度最好。回火时间为10 min的试样容抗弧半径最小,耐蚀性最差。图3(b)中回火温度在400 ℃时,容抗弧半径最大,试样的耐蚀性能最好。回火温度在200 ℃时,试样的容抗弧半径最小,此时的试样耐蚀性能最差。

图3 不同回火时间(a)和不同回火温度(b)下试样在3.5%NaCl 溶液中的电化学阻抗谱Fig.3 EIS plots of the specimens tempered for different time(a) and at tempering temperatures(b) in 3.5%NaCl solution

图4(a,b)分别是试样在1 T磁场条件下进行不同回火时间和不同回火温度处理后,在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线。从图4中可以看出,所有试样的曲线形状几乎相同,这意味着回火后它们的电化学机理没有改变[12]。

图4 不同回火时间(a)和不同回火温度(b)试样在3.5%NaCl溶液中的极化曲线Fig.4 Dynamic potential polarization curves of the specimens tempered for different time(a) and at different temperatures(b) in 3.5%NaCl solution

通过Tafel曲线拟合获得的电化学腐蚀参数列于表2中,随着回火温度和回火时间的增加,自腐蚀电流密度和自腐蚀电位均在变化,这意味着试样表面生成了腐蚀产物。在腐蚀动力学方面,极化曲线中的自腐蚀电流密度表示腐蚀速率,自腐蚀电流密度越低,耐蚀性越好[13]。在不同回火时间的试样中,自腐蚀电流密度相差不大,呈现先减小后增大的趋势,回火时间为60 min的自腐蚀电流密度值最小,耐蚀性最好。在不同回火温度的试样中回火温度为400 ℃时的自腐蚀电流密度最小为2.25 μA/cm2,耐蚀性能最好;回火温度为200 ℃的自腐蚀电流密度最大,为11.49 μA/cm2,耐蚀性能最差。

表2 图4中极化曲线拟合结果

3 结论

1) 25CrMo48V超高强度钢在200～600 ℃分别回火60 min后试样组织均为板条马氏体,并且随着回火温度的升高,板条马氏体增粗,发生回复。

2) 25CrMo48V超高强度钢在600 ℃分别回火10、30、60、180、240 min后试样组织为回火马氏体,并且随着回火时间的延长,回火马氏体板条增粗,试样发生回复。

3) 随着回火时间的延长,容抗弧半径先增大后减小,耐蚀性呈现先上升后下降的趋势。在回火温度为600 ℃时,回火10 min试样的容抗弧半径最小,回火60 min试样的容抗弧半径最大,耐蚀性较好。在不同回火温度回火60 min时,回火温度为200 ℃时,试样的容抗弧半径最小,耐蚀性能最差,400 ℃时的容抗弧半径最大,耐蚀性最好。

4) 所有试样的极化曲线形状几乎相同,表明回火处理后试样的电化学机理没有改变。在回火温度为600 ℃,不同回火时间中,60 min的试样自腐蚀电流密度最小,耐蚀性能最好。恒定保温时间为60 min时,回火温度为400 ℃的试样腐蚀电流密度最小,耐蚀性能最好。