热处理工艺对430铁素体不锈钢耐蚀性的影响

热处理工艺对430铁素体不锈钢耐蚀性的影响杨欣妍 陈旭 丁毅 马立群(南京工业大学 材料科学与工程学院)摘要：将真空感应熔炼得到的实验钢进行固溶处理、稳定化处理，通过金相、扫描电镜、能谱、显微硬度及电化学方法，研究了热处理工艺对430 铁素体不锈钢组织和耐蚀性能的影响。结果表明，通过1050保温1h水冷后得到的试样钢的耐蚀性最好，通过分析可以发现，通过固溶处理能得到过饱和固溶体，减少了碳化铬的析出，呈现较为均匀的显微组织，从而改进试验钢的耐蚀性能。Keywords: 热处理 430铁素体不锈钢 耐蚀性Effect of heat treatment on corrosion resistance of 430 ferritic stainless steelYang Xinyan Chen Xu Ding Yi Ma Liqun(Nanjing university of technology material science and engineering)Abstract：Study on the effect of heat treatment on microstructure and properties of 430 ferritic stainless steel by testing the metallographic examination, SEM, electron spectroscopy, hardness and electrochemistry of 430 ferritic stainless steel after vacuum melt and solution treatment. The results show that after solution heat treatment(1050, 1h, water cooling)can improve the corrosion resistance of 430 ferritic stainless steel by the formation of saturated solid solution, reduce the precipitation of chromium carbide and homogenous micro structures.Keywords: heat treatment, 430 ferritic stainless steel, corrosion resistance.0. 引言不锈钢由于其良好的综合性能，在石油、化工、能源、宇航、海洋开发等领域，发挥着不可替代的作用。430铁素体不锈钢由于成本低廉，同时具有比奥氏体不锈钢更好的耐氯化物和苛性碱等应力腐蚀性能,被广泛地应用于轻工、纺织、建筑、交通和食品加工等行业。而铁素体不锈钢的脆性。晶间腐蚀敏感性等缺陷限制的铁素体不锈钢的更广泛应用，因此，本文研究了铁素体不锈钢的热处理工艺，从而改善铁素体不锈钢的性能。1. 试样制备及试验方法本实验选用不锈钢为某公司对430不锈钢板材边角料进行重熔后的材料。其化学成分( %) : C 0130，N 0.090，Cr 15.65，Ni 0.150，Si 0. 520，Mn 0.39，其余为Fe。根据固定C、N原子所需要的Ti的百分含量应尽量满足，通过真空感应熔炼得到钛含量0.7%的铸态实验钢，随后再研究不同热处理工艺对耐蚀性的影响，实验所定热处理工艺见表1 ：表1. 热处理工艺Table 1 Procedure of heat treatment试样热处理工艺0#原430未处理1#真空感应熔炼（Ti:0.7%）2#真空感应熔炼（Ti:0.7%）+固溶处理 ( 1050, 1 h,水冷)3#真空感应熔炼（Ti:0.7%）+固溶处理 ( 1050, 1 h,空冷)4#真空感应熔炼（Ti:0.7%）+固溶处理 ( 1050, 1 h,空冷)+稳定化处理（900, 1.5 h,空冷）5#真空感应熔炼（Ti:0.7%）+固溶处理 ( 1050, 1 h,空冷) +稳定化处理（900, 1.5 h,空冷）将不同热处理后的试验钢加工成5mm厚度为2mm薄片，分别进行镶嵌、磨制、抛光，用3.5%高氯化铁(FeCl3)进行侵蚀至变色。用金相显微镜观察试样并拍照，用显微硬度计测试其硬度，并进行SEM观察及EDS分析。再取05#试验钢分别用400#再用600#水砂纸打磨平整，室温超声10min以除去打磨时粘附在电极表面的研磨剂粒子，用水和无水乙醇清洗吹干待用。研究电极测试前依次用丙酮除油、无水乙醇洁净其表面，电吹风吹干。测试时采用三电极两回路体系，试验介质根据需要使用3.5%氯化钠，参比电极为饱和甘汞电极（SCE），辅助电极为表面积1cm2的贵金属铂片，研究电极为环氧树脂封装的直径为5mm圆形试验钢片（表面积为0.19625cm2）。为消除液接电势和溶液电阻的影响，体系采用了鲁金毛细管，毛细管的尖端要尽量靠近工作电极表面（约2mm），且毛细管的尖嘴与工作电极表面保持垂直。将研究电极置于试验介质中静置一段时间待其自腐蚀电位稳定后开始测试。从-0.5V，以10mv/min的电位扫描速率，扫至1.5V。进行塔菲尔曲线的测量。2. 试验结果与分析2.1 极化曲线测试结果图1为经过不同热处理后试样钢的极化曲线。由图可知，2#、4#试样的极化曲线有明显的钝化区间存在，且2#的钝化区间最大。在测定了不同热处理后试验钢的极化曲线和算出各个试验钢的自腐蚀电位和腐蚀电流密度的基础上，对不同热处理方式对自腐蚀电位和腐蚀电流密度的影响进行分析。图2(a)为不同热处理后试验钢的自腐蚀电位变化规律。从图中可以看出，经过固溶处理（水冷）后的2#试样自腐蚀电位最正，为-0.037V。图2(b)为不同热处理后试验钢的腐蚀电流密度的变化规律。从图中可以看出，经过固溶处理（水冷）后的2#试样腐蚀电流密度最小，为2.567134A/cm2。自腐蚀电位表征了材料发生电化学腐蚀的倾图1 不同热处理工艺后430试验钢的极化曲线Fig.1 Polarization curve of test steel with different heat treatment (a) (b)图2 不同热处理工艺后试验钢自腐蚀电位及腐蚀电流密度变化曲线Fig.2The curve of corrosion potential and corrosion current density of the test steel向，自腐蚀电位越正，发生电化学反应的倾向越小，腐蚀反应的驱动力越小。经过固溶处理（水冷）后的2#试样在3.5%氯化钠(NaCl)溶液中的热力学稳定性比其他钛含量的固溶态试验钢的热力学稳定性要高，即最不易发生腐蚀。腐蚀电流密度是表征腐蚀反应快慢的物理量。腐蚀电流密度越小，腐蚀的速度就越慢，经过固溶处理（水冷）后的2#试样在3.5%氯化钠(NaCl)溶液中的热力学稳定性比其他钛含量的固溶态试验钢的热力学稳定性要高，即最不易发生腐蚀，并且腐蚀速率比其他含钛量的固溶态试验钢的腐蚀速率要低，即耐蚀性最好。2.2热处理对耐蚀性影响的机理图3为不同热处理工艺后430铁素体不锈钢金相组织，可以看出不同的热处理工艺明显改变了合金的显微组织：原430未处理的0#样中存在铁素体和板条状马氏体双相组织，且板条区域马氏体成层状分布，1#试样通过真空感应熔炼（Ti:0.7%）加入钛元素后无明显的马氏体区域，颗粒在晶粒内部呈弥散分布。经过真空感应熔炼+固溶处理后的2#和3#试样使过剩相颗粒充分溶解到固溶体得到过饱和固溶体，减少了碳化铬的析出，呈现较为均匀的显微组织，使其耐蚀性有所提高。并且由于水冷的冷却速度比空冷的冷却速度稍快，使得2#试验钢 (a)0# (b)1# (c)2# (d)3# (e)4# (f) 5#图3 不同热处理工艺后430铁素体不锈钢的显微组织照片Fig.3 The microstructure of 430 ferritic stainless steel with different heat treatment 图2 4#样稳定化处理后基体中颗粒SEM照片及EDS谱图Fig.4 SEM morphology and EDS of the particle in 4# sample after stabilization treatment表2 4#样稳定化处理后基体中颗粒成分Table 2 The component of the particle in 4# sample after stabilization treatment元素TiCrFeCN含量/wt%40.829.9235.9513.31/基体中固溶的合金元素较3#试验钢基体中固溶的合金元素析出量要少。故2#试样的耐蚀性更好。从能谱图的碳氮含量来看，钛与钢中的氮碳进行了较为完全的反应。经过真空感应熔炼+固溶处理+稳定化处理后的4#和5#试样由于碳化钛颗粒在晶界和晶间的析出，影响了组织的均匀性。从而使其耐蚀性有所下降。 图2为4#样稳定化处理后基体中颗粒的SEM照片及能谱分析，颗粒成分如表2。相比于未经稳定化处理的试样，4#样颗粒中铁和铬的含量继续下降说明高铬的碳化物和铁的碳化物正在不断的被钛的碳化物所代替。从能谱图的碳氮含量来看，钛与钢中的氮碳进行了较为完全的反应。并且颗粒中的各元素比例基本满足的要求。进行维氏硬度测量，得到不同热处理后试验钢的硬度值如表3所示，分析可得，0#未处理的430铁素体不锈钢中由于含有板条状马氏体，硬度较大，1#试样熔炼加入钛元素后，由于碳氮等间隙元素被钛所固定形成碳氮化钛的颗粒弥散分布于基体中，使得基体中的碳氮等间隙元素含量大幅下降导致基体硬度大幅下降。2#和3#试样经过固溶处理使钛固溶进基体中，起到了固溶强化作用，使得基体的硬度有所上升。4#和5#试样经过稳定化处理，析出的碳化钛颗粒呈弥散分布起到一定的弥散强化作用，基体的硬度进一步上升。硬度值的变化也进一步说明了组织成分的变化对耐蚀性的影响。表3 试验钢硬度值与钛含量之间的关系曲线Table 3Effect of different heat treatment on hardness试样0#1#2#3#4#5#硬度/HV2761721971842021933. 结论（1）不同的热处理工艺对430铁素体不锈钢的耐蚀性起着重要的作用，适当的热处理工艺能有效改善其耐蚀性能。（2）固溶处理使熔炼后的过剩相颗粒充分溶解到固溶体得到过饱和固溶体，减少了碳化铬的析出，呈现较为均匀的显微组织，从而提高了其耐蚀性。通过测试塔菲尔极化曲线，固溶处理（水冷）得到的试样耐蚀性最好，其自腐蚀电位最正（-0.037V），腐蚀电流密度最小（2.567134A/cm2）。（3）稳定化处理后的试样从微观组织形貌来看，碳化钛颗粒在晶界和晶间的析出，虽然析出的碳化钛颗粒呈弥散分布起到一定的弥散强化作用，提高了基体的硬度，但由于其影响了组织的均匀性，从而使其耐蚀性有所下降。参考文献1肖纪美. 不锈钢的金属学问题M . 北京: 冶金工业出版社, 2006.2丁茹, 王伯健, 王成, 白鹤. 铁素体不锈钢的开发研究J. 钢铁研究学报2009, 10: 1-43刘继明. 合金元素对铁素体不锈钢抗腐蚀性能的影响J. 山西冶金, 2005, 4: 9-12.4温军国, 郑弃非 涂思京, 赵云豪, 李德富. 热处理对铁素体不锈钢组织和性能的影响J. 稀有金属, 2006, 12:152-154. 5Cihal V, Stefec R. 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