為了研究滲碳對2205雙相不銹鋼的顯微組織、化學成分及性能的影響,對該鋼進行了高溫滲碳和固溶時效處理。結果表明:滲層由擴大的奧氏體和小塊狀鐵素體組成。滲碳后奧氏體與鐵素體內部有錯綜雜亂的位錯缺陷,鐵素體晶內有微量規則的析出相。再經過固溶時效處理,晶界處與晶內均有不同形狀的碳化物析出。滲層的C、Cr含量升高,Fe含量降低,且滲層鐵素體中的Cr、Mo含量要高于心部鐵素體。由于滲層的奧氏體固溶了較多的碳元素,滲層的硬度高于心部組織,硬度從表面到心部有緩慢的過渡;滲碳前后耐蝕性未發生明顯變化。

2205雙相不銹鋼中含有鐵素體相與奧氏體相,且兩相體積分數相當,具有優良的性能。既具備了鐵素體相(α)優良的機械強度,又兼有奧氏體相(γ)的耐腐蝕性能,其成本低于具有相同耐蝕程度的FeCrNi基奧氏體不銹鋼。因此,2205雙相不銹鋼在海事工程、海水淡化及化工等行業上的應用日益增加。雙相不銹鋼有卓越的耐蝕性,但硬度很低,耐磨性較差。早些年,鐮田真一研究了低合金雙相鋼的滲碳行為,其主要研究抑制滲碳過程的晶粒粗化及Si含量對于低合金雙相鋼滲碳的影響。趙朔研究了2205雙相鋼的表面改性,利用等離子滲氮技術使雙相鋼表面獲得滲氮層以提高雙相鋼的表面硬度和耐磨損性能,但也會由于析出CrN而造成貧Cr現象,從而降低其耐腐蝕性。Bell等人提出低溫(500℃)滲氮可避免CrN析出,從而不影響其耐蝕性能,但CrN的析出強化效果也會消失,由固溶強化替代。低溫滲氮(碳)方法有等離子滲氮、離子束氮化、離子注入、水平管式爐等。但低溫滲氮或滲碳處理后的滲層深度一般較小,在幾微米到幾十微米之間,而高溫滲碳可達到幾百微米。本文主要研究了2205雙相不銹鋼高溫滲碳后的組織與性能,并對滲碳后的試樣進行固溶時效處理,探究其組織、化學成分與性能變化。

1試驗材料與方法

試驗材料2205雙相不銹鋼的化學成分如表1所示。試驗鋼在950℃滲碳4h,然后在1050℃固溶1h水冷,并在650℃時效處理4h。

分別將滲碳、固溶時效處理后的試樣制備成金相試樣,用水砂紙研磨后進行機械拋光,用20%NaOH溶液進行電解腐蝕。使用Nikon-MA100型金相顯微鏡進行光學顯微分析;使用ZISSEVO-18型掃描電鏡對滲碳后的試樣進行化學成分分析;利用FEITecnaiG2F20型工作電壓為200kV的透射電鏡對微觀組織結構及析出相進行觀察;使用型號為EPMA-6000的電子探針設備進行化學成分分析;采用MVC-1000B維氏硬度計測量滲碳層剖面硬度,加載砝碼300g,加載時間15s,步長0.1mm。電化學腐蝕試樣用線切割取7mm×7mm×10mm的長方體后進行鑲樣,用砂紙研磨后機械拋光。電化學腐蝕設備為武漢電化學工作站動電位儀CS300,采用三電極動電位掃描。參比電極為標準飽和甘汞電極,輔助電極為鉑電極,研究電極即為上述所做的試樣。所用的試劑為質量分數為3.5%NaCl溶液。試驗的初始電位為-1V,終止點位1V,掃描速率0.5mV/s,采樣頻率為2Hz,以獲得E-I的極化曲線。

2結果與討論

2.1滲碳試樣的組織結構

12205雙相鋼滲碳試樣的金相組織。圖1a)為從滲層到心部組織的全貌組織,圖上部為滲層組織。鐵素體以小塊狀分布于奧氏體晶界,奧氏體相的體積分數遠遠大于鐵素體相,如圖1b)所示,而滲層與心部組織交接處的晶粒較為粗大。圖1c)為心部組織的金相,奧氏體晶粒大小不一,尺寸在20100μm,可觀察到晶界處平整潔凈,并無明顯的析出相。

2為滲碳后試樣的透射電鏡照片。圖2a)為楔形晶界,晶界左側區域為奧氏體晶粒,晶粒內部有錯綜復雜的位錯缺陷;右側下方為鐵素體晶粒,晶粒內部分布著由于稱度不同引起的等厚條紋。圖2b)為一個鐵素體晶粒與其衍射花樣,鐵素體晶粒內部分布著錯綜雜亂的位錯缺陷以及呈規則六邊形形狀的析出相顆粒,尺寸為1.52.5μm,經標定,析出相為晶帶軸為Cr23C6,其晶格常數與鐵素體基體呈1/3關系。晶粒中除了分布有錯綜雜亂的位錯缺陷之外,還會出現成排分布的位錯,如圖2c)所示。Cr23C6在鐵素體而非在奧氏體中析出,這是因為鐵素體中不僅含有有利于形核的位錯缺陷,合金元素在鐵素體中的擴散速率遠比在奧氏體中得大,且Cr、Mo元素為鐵素體形成元素,在鐵素體中的含量大于在奧氏體中的含量,故Cr23C6相易在鐵素體中析出。但析出相數量少,且尺寸小,所以在光學顯微鏡下并未看到。

2.2固溶時效后滲碳試樣的組織結構

3為滲碳后經過固溶時效處理試樣的金相組織。圖3a)為從滲層到心部組織的全貌組織,圖上部為滲層組織,向下依次為過渡組織、心部組織。圖3b)、(c)分別為500倍下滲層與心部的顯微組織。經過固溶處理后的滲層組織與處理前并無明顯區別,鐵素體依然呈小塊狀分布于奧氏體晶界處。而心部組織在時效處理后發生了明顯變化,奧氏體與鐵素體晶界交界處析出大量碳化物,且向鐵素體內部生長。奧氏體晶粒大小不均一。

4為滲碳后經固溶時效處理試樣的TEM組織及其衍射花樣。在透射電鏡下不僅觀察到黑色長條狀的Fe3C(圖4a)),還觀察到位于晶界處的Cr23C6,Cr23C6與基體間的取向關系為立方-立方型,呈長條狀(圖4b))或不規則粒狀結構(圖4c)),相鄰晶粒內分布有錯綜雜亂的位錯缺陷。位錯缺陷錯綜復雜的奧氏體晶粒內部也析出了Cr23C6,且析出相尺寸在0.250.5μm,遠比晶界析出相要小,也比未經固溶時效處理滲碳試樣的晶內析出相?。▓D2b))。這是因為晶內析出的形核條件和生長條件都不如晶界。

2.3滲碳試樣化學成分

5為滲碳試樣的探針試驗元素分析結果。結合圖5b)、(e)所示,滲碳后奧氏體急劇擴大以固溶C[11-12],所以C元素在滲碳層的含量較高,且從粗大的奧氏體晶粒處開始,隨距表面的距離增大而降低。從Fe元素的面掃圖可看出,奧氏體晶界處Fe含量低,滲層中的Fe元素含量較低(圖5f)),表明FeC元素結合形成Fe的碳化物[5],在透射電鏡下也觀察到Fe3C的存在。Cr、Mo為鐵素體形成元素,從圖5d)可看到,滲層奧氏體晶界處小塊狀鐵素體富含Cr元素。表2為滲層與心部顯微組織各相中合金元素的定量成分。心部鐵素體的Cr、Mo元素比奧氏體中含量高,Fe、Ni元素恰恰相反。而在滲碳層中,也同樣出現這種情況。但滲層組織中鐵素體中Cr、Mo元素的含量比心部鐵素體的Cr、Mo元素含量高。這是由于在滲碳過程中,試樣表層奧氏體急劇增大以固溶C元素,而Cr、Mo等鐵素體形成元素則向奧氏體晶界擴散,聚集到晶界處小塊狀的鐵素體中。因此其在滲層組織鐵素體中的含量比心部鐵素體中的高。

2.4滲碳試樣硬度

62205雙相不銹鋼滲碳后未經處理與經過固溶時效處理試樣的硬度。由于滲層固溶了碳元素,導致滲層比心部的固溶碳含量高,從而得到更高的硬度。隨著距表層距離的增加,固溶碳含量不斷下降,所以硬度也在不斷降低。這種現象也可從組織方面解釋:在滲層與心部組織的過渡區域,奧氏體晶粒粗大(圖1a)),這也會造成硬度降低。經過固溶時效處理后的試樣硬度水平略有增加,最高硬度的增加尤為明顯。經時效處理后,晶界處析出碳化物,有析出強化作用。

2.5電化學腐蝕

72205雙相不銹鋼電化學腐蝕極化曲線。表3為根據圖7按照Tafel關系擬合的結果。對比圖7a)、(c),滲碳前后未經固溶時效處理試樣的自腐蝕電位均為-0.28V,說明發生腐蝕的可能性相當,耐蝕性未發生明顯變化。而滲碳后的自腐蝕電流密度比未滲碳的稍大,說明發生腐蝕后的速度稍有加快(試樣失去電子的傾向增大)。而經過固溶處理試樣滲碳前后的電化學腐蝕結果圖7b)、(d)與未經固溶時效處理的類似。無論未滲碳還是滲碳試樣,經過固溶時效處理試樣的自腐蝕電位均比未處理的低,自腐蝕電流密度均比未處理得高。這表明經過時效處理后,由于在晶界處析出碳化物的影響,固溶Cr含量稍有降低,所以耐蝕性略有降低。

3結論

12205雙相不銹鋼滲碳后的滲層組織由固溶C的擴大奧氏體組織和奧氏體晶界處小塊狀鐵素體組成,從滲層向心部過渡的區域奧氏體晶粒尺寸明顯增大。滲碳后奧氏體與鐵素體內部有錯綜雜亂的位錯缺陷,鐵素體晶內有微量規則的析出相。經過固溶時效處理后奧氏體和鐵素體交界處有長條狀及粒狀碳化物析出。

22205雙相不銹鋼滲碳后的化學成分發生變化。滲層的C、Cr元素高于心部,而Fe元素含量則低于心部。且滲層與心部組織中各相的化學成分也有差異,滲層鐵素體中Cr、Mo含量高于心部。

3)滲碳后表層硬度增加,且從滲層向心部緩慢下降低。滲碳試樣的耐蝕性未發生明顯變化。無論未滲碳還是滲碳試樣,經過固溶時效處理后,2205雙相鋼的耐蝕性降低。