18Cr-8Ni型奧氏體不銹鋼金相檢測化學拋光液的研制

張鴻武，楊東旭，岳增武，金樹生，馬永泉，高明德

（1.山東電力工業鍋爐壓力容器檢驗中心有限公司，山東 濟南 250003；2.國網山東省電力公司電力科學研究院，山東 濟南 250003；3.華能濟南黃臺發電有限公司，山東 濟南 250100）

近年來，隨著電站鍋爐向高參數、大容量、高效率方向快速發展，其受熱部件材料的使用性能和加工性能的要求逐步提高。18Cr-8Ni型奧氏體耐熱不銹鋼因其良好的組織穩定性、較高的蠕變強度、優良的抗氧化及抗高溫腐蝕性能被大量應用在超（超）臨界電站鍋爐的受熱面管上[1]。受熱面管往往在極為惡劣的工況下運行，隨著運行時間的積累，難免會出現組織老化、腐蝕、晶間裂紋等缺陷。這些缺陷的產生嚴重影響了機組的安全運行[2]，因此對奧氏體不銹鋼的金相檢測是電站鍋爐金屬監督項目中的重要部分。電站鍋爐實際金屬監督過程需要在不損傷部件的前提下進行現場金相檢測，由于現場工況的復雜性和環境條件的局限性，現場金相檢測難度遠大于實驗室檢測。

在現場金相檢測過程中，主要有磨光、拋光、侵蝕和觀察等步驟[3]。拋光質量的好壞將對金相組織的成像質量產生直接影響，如果拋光質量欠佳，奧氏體組織的晶界、析出相M23C6、金屬間化合物σ相、沿（穿）晶裂紋等組織形貌將不容易發現，造成缺陷漏檢，形成安全隱患[4-6]。

由于奧氏體不銹鋼中Cr、Ni等合金元素的含量較高（質量分數總和接近30%），傳統的金相化學拋光液無法對其進行有效拋光。所以現場最常用的拋光方式為機械拋光，該方法利用便攜手持式電動拋光機，配合金剛石粉拋光劑進行，但由于受工件形狀及環境位置的限制，在拋光的過程較難控制，所需拋光時間較長，劃痕不易去除，且容易出現局部區域過熱的現象，拋光效果并不理想。

為提高電站鍋爐金屬監督檢驗的質量，簡化金相檢測的操作流程，本文通過對18Cr-8Ni型奧氏體不銹鋼金相檢測效果的對比分析，研制出一種高質高效且較為環保的奧氏體不銹鋼化學拋光液。

1 配置工藝

經多次反復試驗，篩選確定化學拋光液的配方見表1。

以100 mL化學拋光液的配制為例，化學拋光液的配制步驟如下：

步驟1 用量筒分別量取無水乙醇（質量分數≥99.7%）10 mL和過氧化氫（質量分數30%）50 mL，倒入燒杯內；

步驟2 用量筒分別量取分析純鹽酸（質量分數36%~38%）13~17 mL、分析純磷酸（質量分數≥85%）13~17 mL、分析純氫氟酸（質量分數≥40%）8~12 mL，倒入燒杯內，倒入后攪拌均勻；

步驟3 用天平稱取分析純硝酸鈉（質量分數≥99%）5~7 g，倒入燒杯內，攪拌均勻至完全溶解；

步驟4 用天平分別稱取硫脲0.5 g和鹽酸抑霧劑0.1 g，倒入燒杯內，攪拌均勻。

2 配置工藝原理

金相檢測中的化學拋光是依靠化學試劑對樣品表面凹凸不平區域進行選擇性溶解，消除研磨痕跡、侵蝕整平的一種方法[7]。

2.1 分析純鹽酸

鹽酸是一種不具有氧化性的無機強酸，強腐蝕劑，主要起溶解金屬的作用。但是單獨使用鹽酸，對不銹鋼表面起不到溶解作用，只有與硝酸和其他助劑相結合，才有一定的溶解能力，可用于除去不銹鋼表面上的氧化層[8-10]。當分析純鹽酸（質量分數36%~38%）與拋光液的體積分數約為150 mL/L時，拋光液溶解速度適中，既去除氧化層，又不會因腐蝕過程加劇而產生過腐蝕，無明顯酸霧揮發，溶解效果理想。

2.2 分析純磷酸

磷酸是一種中等強度的三元無機酸，可以增加拋光液的黏度，降低拋光液的酸度，有效地抑制不銹鋼表面的過度溶解。在化學拋光過程中起到溶解作用，同時可以在表面生成一層不溶性的磷酸鹽轉化膜，這種鈍化膜的形成和溶解,可使金相測點表面達到平整,同時還具有拋光的功效[8-10]。當分析純磷酸（質量分數≥85%）與拋光液的體積分數約為150 mL/L時，既起溶解作用，又可在不銹鋼表面上形成不溶性的磷酸鹽轉化膜，防止過腐蝕的發生，從而有效地抑制金屬的過溶解。

2.3 硝酸鈉

硝酸鈉是一種強氧化劑，配合鹽酸起到溶解作用，有效去除氧化層，可在金相測點形成鈍化膜，在拋光液中代替易分解的硝酸，避免拋光過程中產生黃煙。硝酸鈉在拋光液中配置和添加較方便[8-10]，當每1 L溶液中加入硝酸鈉（質量分數≥99%）約60 g時，既不會對不銹鋼表面產生鈍化作用，降低溶解速度，也不會使表面有蝕坑和麻點。

2.4 分析純氫氟酸

氫氟酸是一種還原性酸，是強腐蝕劑。其中F-的活性高，離子半徑小，容易向不銹鋼表面滲透，使不銹鋼與氫氟酸發生反應，溶解金屬[11-13]。當分析純氫氟酸（質量分數≥40%）與拋光液的體積分數約為100 mL/L時，溶解效果好，溶解速度適中，無局部過腐蝕現象。

2.5 其他添加劑

過氧化氫可消除腐蝕殘渣和溶解碳及碳化物，提高不銹鋼表面的光潔度，也可消除NOx的突沸。乙醇可以使過氧化氫更加穩定，提高不銹鋼表面的光潔度。硫脲作為緩蝕劑，可以減緩拋光液對金相測點表面的腐蝕速率，抑制拋光液對金相測點表面的腐蝕，防止過腐蝕的產生。鹽酸抑霧劑可以抑制鹽酸酸霧的揮發降低污染，降低對試驗人員身體的傷害，清除各種油污，減緩或抑制鹽酸對金屬的腐蝕，與鹽酸具有良好的協同效果，適用于各種溫度下的鹽酸使用[14-15]。

3 拋光工藝及檢測效果

電站鍋爐受熱面管常用18Cr-8Ni型奧氏體耐熱不銹鋼，常見牌號有TP304、TP304H、TP347、TP347H[16]及TP347HFG等新一代奧氏體耐熱鋼[17]?，F選取4個不同的試樣（表2），編號依次為1號—4號，分別進行金相檢測。為了同時觀察實驗室和現場的檢測效果，1號、2號試樣為割管取樣，檢測地點為金相檢測實驗室；3號、4號試樣為現場金相檢測，檢測地點為電廠鍋爐爐膛內。

表2 試樣概況Tab.2 Overview of the samples

3.1 實驗室檢測結果

將1號、2號試樣（橫截面）打磨至600號金相砂紙，采用本文化學拋光液進行化學拋光，拋光方法參照GB/T13298—2015和DL/T884—2019，拋光擦拭時間控制在15~30 s[3,7]。化學拋光完成后，使用Axio Vert A1金相顯微鏡觀察拋光效果。然后使用王水溶液進行浸蝕，再次觀察金相組織。使用機械轉盤拋光機配合金剛石粉拋光劑，對600號金相砂紙打磨后的1號、2號試樣進行機械拋光，拋光時間5~8 min。經浸蝕后，再次觀察金相組織（圖1—圖2）。

根據《18Cr-8Ni系列奧氏體不銹鋼鍋爐管顯微組織老化評級標準》（DL/T1422—2015）對3種金相組織進行老化評級[18]。由圖1可見，試樣經化學拋光后，只有極少量的劃痕未去除，其金相組織為奧氏體、孿晶和滑移線，晶內和晶界均存在第二相析出，晶界上的第二相明顯粗化，局部鏈狀分布，可見裂紋起源于內壁附近，并沿晶界分布，奧氏體老化評級為3—4級，機械拋光的效果與化學拋光的效果基本一致，均可清晰觀察到呈鏈狀的晶界、粗化的第二析出相、沿晶裂紋等組織形貌。

圖1 1號試樣拋光效果及金相組織Fig.1 The polishing effect and metallographic structure of No.1 sample

圖2 2號試樣拋光效果及金相組織Fig.2 The polishing effect and metallographic structure of No.2 sample

由圖2可見，試樣經化學拋光后，只有極少量的劃痕未去除，其金相組織為奧氏體和孿晶，晶內和晶界均存在第二相析出，晶界上的少量第二相顆粒粗化，老化評級為3級，機械拋光的效果與化學拋光的拋光效果基本一致，均可清晰觀察到第二相和孿晶等組織形貌。

3.2 現場檢測結果

分別在2個不同電廠鍋爐的爐膛內對3號、4號試樣（外壁）進行現場金相檢測。首先使用角磨機將外壁氧化皮去除，使用手持式電動磨光機將金相磨面打磨至600號金相砂紙，然后采用本文化學拋光液進行化學拋光，拋光方法與實驗室檢測相同?；瘜W拋光完成后，使用AC紙配合丙酮對未經侵蝕的金相磨面進行表面覆膜。然后使用王水溶液進行浸蝕，浸蝕后再次表面覆膜。表面覆膜完成后，將測點表面重新打磨至600號金相砂紙，采用手持式電動拋光機配合金剛石粉拋光劑對金相磨面進行機械拋光，拋光時間5~8 min，然后浸蝕并表面覆膜。將覆膜片帶回實驗室，使用Axio Vert A1金相顯微鏡觀察金相組織（圖3—圖4）。同樣，對3種金相組織進行老化評級[18]。由圖3可見，試樣經化學拋光后，其金相組織為奧氏體、孿晶，晶內存在較少的第二相，晶界附近有較多的第二相偏聚，晶界上存在較多尺寸稍大的第二相，老化評級為3級，機械拋光的效果與化學拋光的效果基本一致，均可清晰觀察到晶內及晶界上粗化的第二析出相等組織形貌。

圖3 3號試樣拋光效果及金相組織Fig.3 The polishing effect and metallographic structure of No.3 sample

圖4 4號試樣拋光效果及金相組織Fig.4 The polishing effect and metallographic structure of No.4 sample

由圖4可見，試樣經化學拋光后，其金相組織為奧氏體，晶內存在較少的第二相，晶界附近有較多的第二相偏聚，晶界上存在較多尺寸稍大的第二相，老化評級為2—3級，化學拋光的效果與機械拋光的效果基本一致，均可清晰觀察到晶界、晶內碳化物等組織形貌。

觀察比對以上4組試樣的檢測結果，可以看出，該化學拋光液可基本消除研磨后殘留的痕跡，只有極少數較深的劃痕會有殘留，但可清晰地觀察到奧氏體組織的晶界、碳化物、第二析出相、沿晶裂紋等組織形貌，且相對于傳統的機械拋光，該方法節省了大量的檢測時間，在保證檢測效果的同時，大大提高了檢測效率，試驗室取樣檢測和生產現場檢測均有良好的效果。

4 結 語

本文提出的化學拋光液配置工藝簡單，使用硝酸鈉代替硝酸，并加入鹽酸抑霧劑，抑制了有害氣體的揮發，降低了對試驗人員人體的危害，攜帶和存儲方便。在金相制備過程中，現場適應度高，操作簡單，不需要借助機械設備，拋光效率高且速度可控。該化學拋光液拋光效果好，部件表面不會產生變形層，得到的金相組織真實、清晰，適用于實驗室及生產現場金相檢測。