经济节镍型不锈钢局部腐蚀行为研究

【摘要】： 受高性价比需求与镍资源节约需求的推动,经济节镍型不锈钢在近10年中呈现迅速发展的势头,现已达20%的年增长率。为了能够有效替代镍含量高达8%的奥氏体不锈钢,目前经济节镍型不锈钢主要研究方向包括两个方面：一是低镍奥氏体／铁素体双相不锈钢(如LDX2101和2304型：型号前两位数字代表Cr含量,后两位为Ni含量),二是200系列铬锰奥氏体型不锈钢。由于不锈钢主要失效形式为局部腐蚀(点蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀等),因此相关研究成为金属腐蚀热点研究领域之一。 与单相不锈钢相比,双相不锈钢中合金元素在两相间分布不均一,导致了抗蚀性能的差异。此外,在300-1300℃的热处理工艺下,常常会有大量二次相析出,加之原有的夹杂物和不同单相,构成了双相不锈钢组织的高度复杂性,其中较弱相控制着整体不锈钢的性能。目前双相不锈钢局部腐蚀研究面临的主要科学与技术问题在于两个方面：一是急需建立复相组织局部腐蚀评价新技术,关键要解决复相组织中各相(α相,γ相,s相,χ相,二次奥氏体相,M23C6以及Cr2N等)在局部腐蚀过程中所起具体作用的清晰界定问题；二是澄清热处理复相组织演变及对相应腐蚀规律及机制的影响。这两方面研究的意义在于为合金配方优化,组织控制与工艺(热处理与焊接)确定及合理使用提供依据。 本文以此为背景,对LDX2101等双相不锈钢的选择性腐蚀和点蚀开展系统研究工作,并对多种200系列不锈钢材料的腐蚀性能进行了对比性的系统研究。通过三年的博士研究工作,获得主要创新性在于：建立了评价LDX2101双相不锈钢选择性腐蚀的DL-EPR和EIS两种方法；提出并实现了用于复相组织微区点蚀抗力评价的恒电位脉冲技术,在此基础上结合长焦距显微镜原位观察技术清晰阐述了复相组织点蚀萌生和发展的规律。 新型经济节镍双相不锈钢LDX 2101选择性腐蚀性能研究尚未有过报道,本文采用DL-EPR和EIS对比性地研究了该不锈钢在700℃经过敏化处理不同时间后的选择性腐蚀性能变化。采用光学显微镜、扫描电镜和X射线衍射技术(XRD)观察了样品的微观结构。结果表明两种电化学技术对LDX2101不锈钢的选择性腐蚀表征存在着很好的一致性,而且能够揭示微观结构和选择性腐蚀性能之间的关系,即敏化过程中对选择性腐蚀性能起决定性作用的是伴随析出相(以s相为代表)出现而在其周围产生的贫铬/钼区域。相比而言,EIS方法能够获得更多的信息,尤其是在界面电荷转移反应和腐蚀产物吸附过程方面。EIS评价结果表明敏化处理样品对于选择性腐蚀的敏感度最终由两个过程共同决定：贫铬钼区域的形成和敏化处理过程中铬和钼由本体向这些区域的再富集过程。 首次采用恒电位脉冲测试技术研究了具有不同热处理背景的经济节镍型双相不锈钢表面在1.0mol/L NaCl溶液中的点蚀萌生规律。结果表明微点蚀孔尺寸能够通过恒电位脉冲实验条件进行精确地控制。与SEM/EDS系统统计分析结合,发现对于固溶处理样品而言,点蚀优先萌生场所集中在硫化物和氧化物混合型夹杂处,对于敏化处理样品,点蚀主要萌生在靠近s相的夹杂周围的贫Cr/Mo区域。 结合恒电位脉冲技术,采用原位观察技术研究了不同微观结构的LDX2101双相不锈钢在氯离子环境中的点蚀萌生规律,并利用扫描电镜和能谱分析非原位确定了材料表面点蚀萌生位置及其化学成分。研究结果表明：(1)随着LDX2101在700℃时效的进行,材料首先发生a→Cr2N+γ2,接着发生a→s+γ2,呈现三种不同的微观结构；(2)长焦距显微镜结合恒电位脉冲技术可以在线精确确定点蚀萌生的位置；(3)点蚀萌生位置随着时效的进行从夹杂处(MnS/Al2O3)逐渐转向富铬析出相周边的贫铬区,即二次奥氏体(γ2)。 在我国,生产合理性价比的经济节镍型奥氏体不锈钢,同时又能确保其耐腐蚀性和加工性能符合要求,还面临着研发和制造难度大的问题。本文针对该产品开发初期的需求展开,在对比性分析宝钢BN4不锈钢与国内外市售200系不锈钢、宝钢304不锈钢的主要局部腐蚀性能基础上,明确给出不同合金成分的对其局部腐蚀性能的影响,为确定生产配方提供思路。