时效处理工艺对海工用高氮不锈钢耐蚀性的影响
刘吉猛
1,2
，李皓
1,2
，王书桓
1,2
，赵定国
1,2
，倪国龙
1,2
(1.华北理工大学冶金与能源学院， 河北 唐山 063210;
2.唐山市特种冶金及材料制备重点实验室， 河北 唐山 063210)
海工用不锈钢需要长时间浸泡在海水当中，而海水自身是一种良好的电解质，具有含盐量高、电阻率小等特点，对不锈钢的耐腐蚀性是一种较大的考验。主要以18Cr15.5Mn1.4MoN系高氮奥氏体不锈钢为研究对象，通过固溶后的时效处理，分析时效第二相析出行为对试验钢耐蚀性能的影响。对试验钢进行盐雾腐蚀试验，计算其失重率和腐蚀速率，并测定试验钢动电位极化曲线。试验结果表明，不同时效处理后的试验钢耐蚀性能差距较大，600 ℃时效0.5 h试验钢耐蚀性能最佳，失重率和腐蚀速率分别为1.157%、4.608×10
-5
g/(cm
2
·h)；800 ℃时效2 h耐蚀性能最差，失重率和腐蚀速率分别为3.737%、1.502×10
-4
g/(cm
2
·h)；而316L不锈钢耐蚀性能介于两者之间，失重率和腐蚀速率分别为1.423%、6.751×10
-5
g/(cm
2
·h)；当第二相Cr
2
N大量析出时，会严重降低试样钢耐蚀性能。通过观察海工用高氮不锈钢第二相析出和溶解行为，阐明第二相析出行为与高氮不锈钢耐蚀性之间的关系，为后续分析高温下第二相析出物对金属材料性能影响提供理论依据。
在海洋环境中，根据腐蚀机理可分为5个腐蚀区，分别为大气区、飞溅区、潮差区、全浸区、泥土区。每个区域由于pH、氧环境及温度差异造成金属材料腐蚀速率和腐蚀种类各不相同。航船在海上工作，长期处于飞溅区的腐蚀环境中，主要遭受的腐蚀类型为点蚀及缝隙腐蚀。在飞溅区Cl离子含量偏高，且由于航船所暴露的空气环境中氧富集，对材料的腐蚀行为有较强的影响。Cl离子附着在金属表面的钝化膜上，通过钝化膜表面的缺陷和微孔进入到金属基体中，此时金属材料作为阴极、Cl离子作为阳极，加大了金属基体的腐蚀速率。316L不锈钢因具有优异的抗Cl离子腐蚀性能常用于海洋工业生产当中，随着科技的发展，人们逐渐意识到316L不锈钢中的Ni元素大大增加了其生产成本，且Ni元素属于稀缺元素，从长远角度来看，找到一种可替代Ni元素且仍能使不锈钢具有优异耐蚀性能的元素就显得尤为重要，高氮奥氏体不锈钢由此应运而生。HAZRA M等研究表明，用N元素代替不锈钢中的Ni元素，可以提高基体抗局部腐蚀的能力，点蚀当量EPR计算公式(EPR=w(［Cr］)+3.3w(［Mo］)+16w(［N］))亦可表明增加N元素含量对不锈钢耐蚀性能的重要性。
在船舶的制造过程中，无法避免钢板之间的高温焊接，这种新型无镍高氮奥氏体不锈钢在高温下会有氮化物从奥氏体基体中析出，导致晶体贫铬，当晶粒中铬质量分数w(［Cr］)<11.3%时，会破坏金属材料表面钝化膜的稳定性，氮在金属基体中活度较高，在敏化温度区间(600～1 100 ℃)会与铬结合在晶界处析出Cr
2
N，导致晶界与基体产生错位能差。晶体为正阳极，晶界为负阴极，会加速溶解，两者行为均会对金属表面钝化膜产生不利影响。腐蚀行为会造成金属内部产生细微裂纹，当部件受到外应力影响时，极易产生破裂，是极为严重的安全隐患。因此探究高温下第二相析出行为对高氮奥氏体不锈钢耐蚀性能的影响就显得尤为关键。
本研究设计并冶炼出18Cr15.5Mn1.4MoN系高氮无镍奥氏体不锈钢，并以此为研究对象，对热轧后的试验钢进行固溶处理，随后对固溶态试验钢进行不同温度、时间的时效处理。为模拟海洋腐蚀环境恶劣的飞溅区，采用盐雾试验分析不同时效处理手段对试验钢耐蚀性能的影响规律，并与海工常用的316L不锈钢进行对比分析；采用动电位极化曲线扫描，分析高温下第二相析出物对试验钢耐Cl离子点蚀性能的影响规律。
对600、700、800 ℃分别时效处理0.5、1.0、1.5、2.0 h后的试验钢进行盐雾试验和动电位极化曲线测定，分析其耐蚀性能，得到以下结果。
1)随着时效温度和时间的增加，海工用高氮不锈钢耐蚀性能逐渐降低，700、800 ℃时效温度下，随着时效时间的延长，耐蚀性能下降趋势较大，且在时效1.0～1.5 h时，由于Cr
2
N的大量析出试验钢耐蚀性能急剧下降。在800 ℃时效2.0 h时，试验钢腐蚀速率达到1.502×10
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g/(cm
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·h)。
2)在600 ℃时效条件下，试验钢腐蚀速率虽然也随时效时间的延长而升高，但趋势较为微弱，且腐蚀速率一直低于固溶态试验钢和316L不锈钢。
3)通过电化学试验分析可知，随着时效时间的增加，试验钢不同时效工艺下的电位差及电流密度差距增大，在800 ℃时效2.0 h时，试验钢表现出较大的电流腐蚀密度，腐蚀电压较低。
4)与316L不锈钢相比，固溶态试验钢和600、700 ℃时效0.5 h试验钢具有更优耐蚀性能，600 ℃时效0.5 h时，耐蚀性能最佳；800 ℃时效1.5 h时，试验钢力学性能最差(抗拉强度777 MPa，屈服强度499 MPa)，但仍远优于316L试样钢力学性能(抗拉强度480 MPa，屈服强度177 MPa)，因此试样钢能够代替316L不锈钢应用于海洋工业当中。
刘吉猛, 李皓, 王书桓, 赵定国, 倪国龙. 时效处理工艺对海工用高氮不锈钢耐蚀性的影响[J]. 中国冶金, 2023, 33(10): 50-59. LIU Jimeng, LI Hao, WANG Shuhuan, ZHAO Dingguo, NI Guolong. Effect of aging treatment process on corrosion resistance of high nitrogen stainless steel for marine engineering[J]. China Metallurgy, 2023, 33(10): 50-59.
http://www.zgyj.ac.cn/CN/Y2023/V33/I10/50
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