謝曉宇

(上海電氣集團(tuán)股份有限公司 中央研究院, 上海 200070)

2205(022Cr23Ni5Mo3N)雙相不銹鋼是第二代新型含氮雙相不銹鋼，經(jīng)過固溶處理后，其組織中鐵素體和奧氏體含量大致相同，均由鉻元素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為22%)、鎳元素(質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5%)等主要元素構(gòu)成。由于雙相不銹鋼中同時(shí)存在奧氏體與鐵素體，因此與單純的奧氏體不銹鋼相比，晶間腐蝕傾向更小。由于雙相不銹鋼在敏化溫度范圍內(nèi)加熱時(shí)，Cr23C6未在奧氏體晶界析出，而先在鐵素體內(nèi)析出，這就使得鉻化物不會(huì)在晶界處聚集，從而造成嚴(yán)重的貧鉻現(xiàn)象。此外，雙相不銹鋼的耐腐蝕性也高于奧氏體不銹鋼，由于2205雙相不銹鋼的兩相含量幾乎相同，在許多介質(zhì)中能達(dá)到鈍化狀態(tài)，故而有較好的耐腐蝕性[1-2]，但優(yōu)秀的耐腐蝕性卻導(dǎo)致雙相不銹鋼在金相檢驗(yàn)中很難得到清晰的顯微組織。

1 金相檢驗(yàn)及原有腐蝕方法

1.1 金相檢驗(yàn)方法

雙相不銹鋼經(jīng)切割→鑲嵌→磨制→拋光后得到磨面平整光滑、沒有磨痕和變形層的金相試樣，用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)或物理方法對(duì)試樣的拋光面進(jìn)行腐蝕，從而在金相顯微鏡下可以清晰地顯示出金屬與合金的內(nèi)部組織，這個(gè)過程稱為金屬材料的金相檢驗(yàn)[3]。

1.2 金屬材料的電化學(xué)腐蝕機(jī)理

1.2.1 電化學(xué)腐蝕原理

從廣義上講，金屬材料的電化學(xué)腐蝕是指金屬與導(dǎo)電介質(zhì)因發(fā)生電化學(xué)作用而造成的破壞，也可以認(rèn)為其是依靠腐蝕電池的陰、陽極反應(yīng)而進(jìn)行的腐蝕過程。在生活中，金屬材料的電化學(xué)腐蝕處處可見，如橋梁鋼架及露天放置的金屬設(shè)備在潮濕大氣中的腐蝕，船體、碼頭及海上采油平臺(tái)在海水中的腐蝕等。

1.2.2 電解的作用

電解是指在外加直流電源的作用下，電流通過電解質(zhì)溶液引起電解池的陰、陽兩極上發(fā)生化學(xué)變化，從而將電能轉(zhuǎn)化為電解產(chǎn)物儲(chǔ)藏的化學(xué)能的過程。電解時(shí)，電解質(zhì)中的陰、陽離子分別向電解池的正、負(fù)極，即陽、陰極移動(dòng)，并分別在電極上得、失電子發(fā)生氧化還原反應(yīng)[4]。

電解侵蝕是基于電化學(xué)溶解的作用，被侵蝕的試樣作為陽極，不銹鋼作為陰極，容器中盛放電解液，當(dāng)接通電流后，由于各相之間與晶粒之間的析出電位不一致，在微弱電流作用下各相的侵蝕程度不同，從而顯示各相的組織。

1.3 金相檢驗(yàn)原有的腐蝕方法

GB/T 26956—2011 《金屬材料焊縫破壞性試驗(yàn) 宏觀和微觀檢驗(yàn)用侵蝕劑》中規(guī)定的侵蝕劑能使普通的不銹鋼形成較清晰的顯微組織，對(duì)于雙相不銹鋼、超級(jí)雙相不銹鋼和鎳基合金等耐腐蝕性較強(qiáng)的材料，其腐蝕效果往往無法達(dá)到要求[5]。

常用的雙相不銹鋼腐蝕方法有以下4種。

(1) 5 g氯化高鐵、50 mL鹽酸和100 mL水，在室溫(10～35 ℃)或者加熱情況下使用。這種方法耗時(shí)長，鹽酸加熱會(huì)產(chǎn)生毒性物質(zhì)，對(duì)人體傷害大。鹽酸的購買、運(yùn)輸、儲(chǔ)存及處理都有很高要求。

(2) 熱腐蝕法：將10～15 g鐵氰化鉀、10～30 g氫氧化鈉和100 mL水混合作為侵蝕劑，將侵蝕劑煮沸后侵蝕試樣5～10 min。這種方法操作復(fù)雜，容易過度侵蝕，侵蝕得到的顯微組織效果不好。

(3) 中國專利cn107976459a公開了一種雙相不銹鋼金相腐蝕方法：采用體積分?jǐn)?shù)為10%～20%的高氯酸酒精溶液電解拋光20～30 s，電壓為10～20 V，電流為1～2 A；中國專利cn103924246a公開了一種雙相不銹鋼金相腐蝕方法：侵蝕劑含鹽酸0.065～0.125 g/mL，偏重亞硫酸鉀0.017～0.029 g/mL，在保溫條件下侵蝕10～20 min。以上兩種方法均操作復(fù)雜，所用高氯酸、偏重亞硫酸鉀危險(xiǎn)性較高。特別是高氯酸，有強(qiáng)氧化性和腐蝕性，與有機(jī)物、還原劑、易燃物等接觸或混合時(shí)有燃燒、爆炸的危險(xiǎn)。

(4) 中國專利cn103123318a公開了一種雙相不銹鋼金相腐蝕液：使用鹽酸、苦味酸與無水乙醇的體積比為5…1…100的溶液進(jìn)行侵蝕；中國專利cn106248460a公開了一種雙相不銹鋼金相腐蝕方法：用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.05%～0.3%，pH不大于2的三氯化鐵、鹽酸水溶液對(duì)試樣進(jìn)行侵蝕，再經(jīng)450～550 ℃加熱、保溫、冷卻。以上兩種方法所得到的顯微組織兩相區(qū)分度均不高，且被腐蝕相為黑色，與不銹鋼中常出現(xiàn)的碳化物等無法區(qū)分；苦味酸具有強(qiáng)烈的苦味，高溫、接觸明火、振動(dòng)、撞擊等都會(huì)使其發(fā)生爆炸，且可引起慢性中毒，危害人體健康。此外，以上兩種方法也容易出現(xiàn)過度侵蝕的情況。

2 電解腐蝕新方法驗(yàn)證試驗(yàn)

2.1 試驗(yàn)材料及設(shè)備

試驗(yàn)主要使用的設(shè)備有電解腐蝕裝置、整流器(電壓為1～12 V，電流為0～100 A)、掃描電子顯微鏡(SEM)、光學(xué)顯微鏡。主要試驗(yàn)材料有草酸、碳酸氫鈉、濃硝酸。

2.2 試驗(yàn)過程

(1) 將待腐蝕試樣用120～2 000目砂紙逐級(jí)打磨后，用3.5 μm和1 μm的金剛石研磨膏拋光[6]。

(2) 取適量草酸，加少量去離子水溶解，取適量碳酸氫鈉，緩慢加入溶液并攪拌，等待溶液中的氣泡平靜后，加熱至微沸并攪拌。待溶液均勻后用移液管緩慢加入少量濃硝酸，使用去離子水定容至500 mL，最后加入少量甘油，并靜置1 h。其中硝酸與甘油只需要少量即可，草酸與碳酸氫鈉的質(zhì)量比約為1…1。

(3) 將配置好的腐蝕液放入自制電解腐蝕裝置，被腐蝕面面對(duì)腐蝕金屬板，電壓調(diào)整為5 V，對(duì)試樣進(jìn)行電解腐蝕。15 s后將試樣取出，一邊用棉花輕輕擦拭,一邊用去離子水沖洗。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

將腐蝕產(chǎn)物清洗干凈后，用酒精噴撒試樣的被腐蝕面，并吹干。采用光學(xué)顯微鏡觀察試樣，其微觀形貌如圖1所示。從圖1可以看出：試樣中的奧氏體未被腐蝕(凸出，淺灰)，鐵素體被腐蝕(凹下，白色)，邊界有少量的碳化物；試樣顯微組織清晰，兩種組織和碳化物區(qū)分明顯。

圖1 試樣的微觀形貌

采用SEM對(duì)試樣的被腐蝕面進(jìn)行觀察，其SEM形貌如圖2所示。從圖2可以看出：試樣的奧氏體和鐵素體的凹凸顯示明顯，可以清楚地感受到立體效果。

圖2 試樣的SEM形貌

3 結(jié)語

(1) 草酸、碳酸氫鈉和甘油都是較安全且無毒的化學(xué)品，易于購買；硝酸雖然是強(qiáng)酸，但是相較于鹽酸和硫酸，使用硝酸降低了實(shí)驗(yàn)室在管制化學(xué)藥品的硬件投入和日常管理投入。

(2) 電解腐蝕試驗(yàn)是在常溫下進(jìn)行的，無需加熱，整個(gè)過程中不產(chǎn)生酸霧，不產(chǎn)生有毒、有刺激性的化學(xué)物質(zhì)，對(duì)人體的傷害較輕。

(3) 配置腐蝕液所采用的化學(xué)品濃度均較低，試驗(yàn)中電流及電壓較小，提高了試驗(yàn)的安全性。電解腐蝕時(shí)間短，腐蝕液可以重復(fù)使用，提高了工作效率。

(4) 對(duì)于除2205鋼之外的其他雙相不銹鋼，可以采用適當(dāng)延長或者降低電解腐蝕時(shí)間的方法來獲得清晰的顯微組織。