Mn-N雙相不銹鋼堆焊熔覆層耐點蝕性能研究

許偉康　包曄峰　謝秉锜　王秋雨

摘要：采用粉末堆焊和固溶熱處理的方法制備Mn-N系雙相不銹鋼堆焊層試樣。觀察堆焊層的金相組織，通過FeCl3-HCl浸泡試驗和動電位極化曲線法研究堆焊層的耐腐蝕性能，并與2209雙相不銹鋼及304奧氏體不銹鋼堆焊層進行對比。結果表明：研制的Mn-N型雙相不銹鋼堆焊層的金相組織為奧氏體和鐵素體，兩相比例接近1∶1，鐵素體的存在為晶界提供了充足的Cr，減小了Cr的碳化物沉淀，耐點腐蝕性優于304奧氏體不銹鋼;Mn-N雙相不銹鋼的耐腐蝕性能略差于2209雙相不銹鋼，原因是其Cr、Mo元素含量低于2209，使其鈍化膜的穩定性和再鈍化能力有所下降。

關鍵詞：堆焊;Mn-N型雙相不銹鋼;耐腐蝕性能

中圖分類號：TG455文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）03-0049-05

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.03.09

0 前言

雙相不銹鋼是指鐵素體和奧氏體各占50%或含量較少相不小于30%的不銹鋼，因其獨特的雙相結構，兼顧了鐵素體不銹鋼和奧氏體不銹鋼的優點，具有突出的耐腐蝕性能。傳統的Cr-Ni-Mo系雙相不銹鋼使用了較多的貴重合金元素，價格較高，為解決這一問題，使用廉價合金元素研發經濟型雙相不銹鋼已經成為一種趨勢[1]。經濟型雙相不銹鋼在腐蝕環境下也具有優秀的耐腐蝕性和力學性能，一般采用Mn和N元素代替金屬Ni作為奧氏體形成元素，在確保獲得雙相組織和優良物化性能的同時降低成本[2]。碳鋼板表面堆焊耐腐蝕性能較強的材料是一種有效的表面處理方法，既能降低材料成本，又可以充分發揮堆焊層金屬的性能優勢。目前關于在碳鋼表面堆焊奧氏體不銹鋼或傳統雙相不銹鋼的研究已有很多，而將Mn-N型雙相不銹鋼堆焊到碳鋼表面，研究其堆焊層的耐點腐蝕性能的報道還較少，本文通過粉末堆焊的方法在Q235鋼板上制備Mn-N型雙相不銹鋼堆焊熔覆層，研究耐點腐蝕性能，旨在為促進低鎳雙相不銹鋼堆焊技術的發展提供技術依據。

1 焊接試驗

1.1 焊接材料和方法

堆焊母材為Q235鋼板，尺寸500 mm×200 mm×10 mm，中間合金粉按設計目標配制成雙相不銹鋼堆焊用粉末，用TIG粉末堆焊法制備堆焊層試樣;對照組試樣為2209雙相不銹鋼與304奧氏體不銹鋼堆焊層，采用市售焊絲TIG堆焊制備，3種堆焊層設計成分如表1所示。堆焊設備均為威特力逆變直流氬弧焊機WS-400CEL。堆焊參數如表2所示，共堆焊4層。分別將2209雙相鋼、Mn-N型雙相鋼和304奧氏體不銹鋼試樣編組為1#、2#和3#。

為了改善堆焊層的性能[3-4]，對堆焊試樣進行了固溶處理。熱處理工藝參數如表3所示。

1.2 金相觀察

截取堆焊層金屬，對上表面進行打磨、拋光，采用Murakami水溶液進行金相腐蝕，并在Xjg-05臥式顯微鏡上進行金相觀察。

1.3 元素檢測

使用Q4 TASMAN光譜儀和PerkinElmer 2400對試樣進行元素含量分析，標準樣和試樣均經過打磨拋光，多次測試取平均值。

1.4 FeCl3-HCl浸泡測試

依據標準 GB/17897- 2016 “不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法”，將試樣浸沒在FeCl3-HCl溶液中，放置在恒溫箱里（35 ±1 ℃）測試，每隔24 h取出試樣并進行清洗、烘干、稱重，然后計算失重率并觀察表面形貌，試驗總時間為72 h。

1.5 極化曲線測試

電化學試樣如圖1 所示，采用錫焊方式連接銅導線，隨后用環氧樹脂密封，工作面為堆焊層的上表面，經磨制和拋光，尺寸為10 mm×10 mm。使用CHI660E型電化學測量儀進行測試，參比電極為甘汞電極，輔助電極為鉑電極，電解液為0.5%NaCl溶液，掃描范圍-1 000～800 mV，掃描速度 1 mV/s，試驗溫度25 ±1 ℃。

2 試驗結果和分析

2.1 金相檢測

三種堆焊層金相組織如圖 2所示，圖2a和2b為2209和Mn-N型雙相不銹鋼組織，圖中淺色為奧氏體組織，呈島狀或長條狀分散在深色的鐵素體基體中;圖2c為304奧氏體不銹鋼組織，有少量長條或球狀的深色鐵素體分布在淺色的奧氏體基體中。使用Imagine Pro Plus軟件計算三種材料中的鐵素體含量，結果分別為48%、51%和13%。

2.2 FeCl3-HCl浸泡試驗結果分析

根據標準GB/17897-2016“不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法”，采用腐蝕速率，即單位面積、單位時間的失重，來評價和比較試樣的抗點蝕性能

三種試樣的腐蝕速率曲線如圖3所示，2#試樣三氯化鐵浸泡試驗的腐蝕速率介于1#與3#試樣之間，1#試樣的腐蝕速率最小，3#試樣的腐蝕速率最大，且隨著時間增加逐漸加速的趨勢。圖4d、4e、4f為測試24 h后的試樣照片，可以看到，1#沒有出現明顯點蝕孔，3#出現多個點蝕坑，且深度較深;2#也出現了點蝕坑，但數量少于3#，且較淺。圖4g、4h、4i為試驗48 h后的試樣照片，1#出現少量的點蝕坑，2#較1#出現較多點蝕坑，3#出現兩個較大且深的點蝕坑。圖4j、4k、4l為72 h后試樣的照片，可以發現1#試樣點蝕坑點是三個試樣中最少最淺的;3# 試樣的點蝕坑數量最多，分布不均勻，點蝕坑較大較深;2#試樣上有少量較大的腐蝕坑和多個細小的腐蝕孔，腐蝕情況較1#嚴重、較3#輕。

2.3 極化曲線測試

三個試樣在3.5%NaCl 溶液中的極化曲線如圖5所示。

根據塔菲爾曲線外推法計算得1#、2#、3#號試樣的自腐蝕電流分別為1.09E-7 A/cm2、3.56E-7 A/cm2和5.91E-7 A/cm2，依次增大，依據自腐蝕電流[6]可以認為1#、2#和3#試樣的腐蝕速率依次增大;2#和3#的曲線上出現了點蝕擊穿特征，而且2#點蝕電位明顯大于3#，上述電化學測試結果和三氯化鐵浸泡實驗中耐點蝕性能順序相符，可以判斷出Mn-N型雙相鋼耐蝕性能優于304奧氏體不銹鋼，稍差于2209雙相不銹鋼。

2.4 分析討論

點蝕也被稱為孔蝕，是一種集中在金屬表面形成并向縱深發展的腐蝕形式，過程包括點蝕核的萌生和擴展，相組成和化學成分是耐點蝕性能差異的主要原因。

觀察三種堆焊層的金相組織（見圖2）可知，雖然三種材料的金相組織中都存在鐵素體和奧氏體，但是比例上有差異。雙相鋼中的鐵素體含量比奧氏體不銹鋼中多，晶界長度更長，單位長度上碳化物的沉淀更少，并且由于鐵素體相的存在，鉻的擴散速度加快，易補償，不易出現貧鉻區，所以2209雙相不銹鋼和Mn-N型雙相鋼的耐蝕性能都要優于304奧氏體不銹鋼。

雙相不銹鋼中的合金元素可分為兩類，一類是奧氏體形成元素如C、Ni、N、Mn，另一類是鐵素體形成元素如Cr、Mo。2209和Mn-N型雙相不銹鋼中鐵素體的形成元素相同，奧氏體形成元素不同，Mn-N型雙相鋼采用Mn和N替代了Ni作為奧氏體形成元素。對1#、2#、3#試樣進行元素檢測，結果如表1所示。研究表明，材料成分是影響點蝕性能的主要因素[7]，可用點蝕當量（PRE值）來表征材料的抗點蝕性能，式（2）為一種計算PRE值的公式。

PRE=%Cr+3.3×%Mo+30×%N-%Mn（2）

用式（2）計算出1#、2#和3#的PRE值分別為34.8、25.1和17，即1#試樣>2#試樣>3#試樣的。觀察圖4浸泡試驗的結果，2209雙相不銹鋼的材料表面并未出現較大的點蝕坑，表明該材料鈍化膜的整體穩定性和均一性優于其他兩種材料，能保護金屬基體免于腐蝕，不存在明顯的鈍化膜破裂情況。Mn-N型雙相鋼的試樣表面存在點蝕坑，但是數量比304奧氏體不銹鋼少，表明Mn-N型雙相鋼的鈍化膜穩定性和均一性雖然不如2209雙相不銹鋼，但是優于304奧氏體不銹鋼。由于Mn-N型雙相不銹鋼再鈍化的能力強于奧氏體不銹鋼，所以點蝕坑的深度和大小小于304奧氏體不銹鋼。Cr元素可以在金屬表面氧化生成致密的鈍化膜，保護金屬基體不受外界的腐蝕，同時鉻的存在還能降低鋼鐵的鈍化電流，使得鈍化膜更穩定，提高不銹鋼的再鈍化能力，因此鉻元素是影響材料耐腐蝕性能的主要原因，從表4可以看出，三種材料鉻元素含量依次下降，和耐腐蝕性能下降的順序相一致。Mo能夠富集在靠近基體的鈍化膜中，提高鈍化膜的穩定性，由于Mn-N型雙相鋼中Mo元素含量很低，所以鈍化膜的穩定性較2209雙相不銹鋼鈍化膜的穩定性要差，耐點蝕性受到影響，2#表現出比1#略差的耐點蝕性能。2#中的Ni含量遠遠低于3#，但是Ni元素并不會參與鈍化膜的形成，所以Ni元素對耐腐蝕性能的影響較小。2#含有較多的N和Mn元素，N能固溶于奧氏體組織中，且Mn能促進氮的固溶，提高了奧氏體的耐點蝕性能。氮元素的存在能影響鉻的分配系數，促進鉻元素向奧氏體轉移[8]，使得兩相中合金元素含量差變小，降低雙相不銹鋼鋼的選擇腐蝕傾向，因此2#耐點蝕性能優于3#。

3 結論

（1）使用TIG粉末堆焊的方法研制了Mn-N型雙相不銹鋼堆焊層，并用固溶熱處理的方法使得組織均勻，兩相比為1∶1。

（2）通過極化曲線和三氯化鐵浸泡的試驗方法研究了Mn-N型雙相不銹鋼的耐點蝕性能，并與2209雙相不銹鋼和304進行比較。結果表明，Mn-N型雙相不銹鋼耐點蝕性能優于304不銹鋼，略差于2209雙相不銹鋼。

（3）相組成和化學成分的差異是引起Mn-N型、304和2209三種堆焊層耐點蝕性能不同的主要原因。

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