摘 要:双相不锈钢是抗腐蚀材料的重要组成单元,兼顾高强度、高塑韧性以及优异的耐点(孔)/缝隙蚀、耐应力腐蚀性能,作为结构/功能材料广泛应用于石油化工,海洋工程以及建筑桥梁(港珠澳大桥)等领域。近年来,铬、镍、钼等合金元素市场价格居高不下,加剧了双相不锈钢生产原材料成本开支。为了节约资源并降低成本,发展以UNS S32101为代表的Mn/N代Ni/Mo的节约型双相不锈钢成为必然趋势。本文以UNS S32101双相不锈钢为研究对象,针对不同加工环节中的Cr2N析出溶解行为开展了系统研究,重点分析了N原子在铁素体/奥氏体相中的迁移规律,揭示了Cr2N原位析出与重新溶解的机理,以及对微观组织及耐腐蚀性能的影响。上述研究为节约型双相不锈钢的在线生产与应用具有一定的指导意义。
关键词:双相不锈钢;N迁移;组织演变;耐蚀性;析出物
1 引言
氮是一种强烈扩大奥氏体区与稳定奥氏体相的元素,在双相不锈钢中氮能促进铁素体/奥氏体相稳定元素的分配平衡,降低选择性腐蚀倾向。通常氮总以间隙固溶或氮化物形式存在基体中,当氮以间隙原子固溶在基体中,可同时提高强度和耐腐蚀性;而氮以氮化物形式沿晶界/相界析出,会严重恶化不锈钢的耐蚀性,同时破坏了基体组织的连续性,导致材料在后续加工过程中开裂。目前绝大部分节约型双相不锈钢均含有一定量的氮元素,因此对氮在铁素体/奥氏体相中的迁移行为以及氮化物析出规律的研究具有重要意义。
本研究对比了经济型双相不锈钢UNS S32101的铸态、热轧态、冷轧态以及相应退火态中氮化物演变行为及其对耐腐蚀性能的影响,分析了氮在在两相的分布规律以及氮化物析出溶解规律,同时揭示了氮化物重新溶解的机理以及氮原子的去向,该研究为节约型双相不锈钢的微观组织控制提供了参考依据。
2 研究方法
实验采用扫电子显微镜(SEM)、飞行时间二次离子质谱仪(TOF-SIMS)、高分辨率透射电子显微镜(HRTEM)、电子背散射衍射(EBSD)、三维原子探针(3D-APT),万能拉伸试验机以及多通道电化学工作站,对UNS S32101双相不锈钢铸态、热轧态、冷轧态以及各自退火态的微观组织及性能进行了表征。其中铸态退火参数:1000~1250 ℃保温30 min;热轧(30 mm®5 mm)后退火参数:1000~1100 ℃保温30 min与1050 ℃保温不同时间;冷轧(5 mm®1 mm)后退火参数:1000~1150 ℃保温30 min,以上热处理均采用水冷方式冷却。
3 研究结果
不同退火温度(1000~1250 ℃)下铸坯组织中始终有Cr2N原位析出(如图1),并且随着退火温度的升高,氮原子快速迁移至铁素体内,造成Cr2N在铁素体内以及晶界严重析出,在1200 ℃下原位析出Cr2N的位置观察到二次奥氏体的形成,浸泡后发现这些二次奥氏体以及原位析出的Cr2N成为主要点蚀萌生点。
图1 UNS S32101双相不锈钢铸坯不同温度退火的微观组织
(a1-2) 1000 ℃; (b1-2) 1050 ℃; (c1-2) 1100 ℃; (d1-2) 1150 ℃; (e1-2) 1250 ℃; (f1-2) map scanning
图2 UNS S32101双相不锈钢热轧及轧后不同温度退火的微观组织
(a1-2) hot rolling; (b1-2) 1000 ℃; (c1-2) 1030 ℃; (d1-2) 1050 ℃; (e1-2) 1080 ℃; (f1-2) 1100 ℃
热轧后室温组织中仍有Cr2N析出,在退火初期(10~30s)铁素体内Cr2N未完全溶解,同时铁素体晶界上不连续析出二次奥氏体颗粒,优先在晶界分布Cr2N位置形核(界面处Cr2N的溶解为二次奥氏体的形核提供了大量的N原子),点蚀主要沿着二次奥氏体与铁素体相界腐蚀,导致二次奥氏体脱落或者被腐蚀,进一步延长退火时间,铁素体内Cr2N完全溶解,先前形成的细小二次奥氏体颗粒逐渐合并粗化长大,形成棒状/块状奥氏体,此时点蚀主要发生在铁素体区域。在冷轧退火后室温组织为层状交替分布的铁素体与奥氏体组成,未观察到Cr2N析出,铁素体内及晶界处弥散分布着大量的二次奥氏体颗粒,可能是由高温铁素体内富氮区过冷相变而来,从而未引起Cr2N再次析出。
4 结论
不同退火温度下铸坯组织中始终存在Cr2N,成为点蚀萌生点,温度升高促进氮元素由奥氏体迁移至铁素体,加剧Cr2N原位析出;热轧退火后铁素体内Cr2N溶解消失,新生二次奥氏体容纳更多氮原子,避免Cr2N再次析出。