1 T磁場下回火工藝對25CrMo48V鋼耐蝕性能的影響

楊賽玄, 楊曉斌, 陸盼盼, 趙 倩, 董治中, 董 紀

(1. 天津中德應用技術大學 機械工程學院, 天津 300350; 2. 天津理工大學 材料科學與工程學院, 天津 300384;3. 中國人民解放軍63856, 吉林 白城 137000; 4. 天津商業大學 機械工程學院, 天津 300134)

25CrMo48V超高強度鋼主要應用于石油套管,石油套管在國家經濟發展中起著中流砥柱的作用[1]。這些管道常被置于惡劣的環境中,例如酸性、高鹽濃度、H2S和CO2環境。如Biezma等[2]所述,大部分管道問題是由于腐蝕或材料失效所造成的。管道的腐蝕缺陷大多數是局部腐蝕,如點蝕[3-4]。傳統材料會在很短的時間內被腐蝕,導致災難性事件的發生,因此急需研制具有防腐性能的材料。有研究表明,磁場的存在可能會影響鋼的腐蝕程度,這對于當前的技術和未來的研究至關重要[5]。Zhao等[6]的研究結果發現,碳鋼隨著磁場預處理強度的增加,腐蝕電流密度降低,腐蝕得到抑制。Akhbarizadeh等[7]的研究結果表明磁化與非磁化試樣相比,磁化試樣的耐蝕性能有所增加。因此,本試驗在回火過程中外加1 T磁場探究25CrMo48V超高強度鋼在3.5%NaCl溶液中的耐蝕性能。

1 試驗材料和方法

試驗用25CrMo48V超高強度鋼采用電弧爐冶煉后澆注為圓坯,經過PQF技術軋制出無縫鋼管,試驗鋼的化學成分如表1所示。試樣經1000 ℃奧氏體化30 min后水冷至室溫,使用線切割加工成尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的塊狀試樣,再分別放入有1 T磁場的強磁場高溫箱式爐(SK10-?20 250-BYL)中進行回火處理。熱處理工藝分為兩種:第一種是恒定加熱溫度為600 ℃,保溫時間分別為10、30、60、180、240 min,水冷至室溫;第二種是恒定保溫時間為60 min,加熱溫度分別為200、300、400、500、600 ℃,水冷至室溫。

表1 試驗鋼的化學成分(質量分數,%)

使用掃描電鏡(SEM)觀察回火后25CrMo48V鋼的顯微組織。將經過熱處理的試樣通過CHI660E型電化學工作站測定開路電位、電化學阻抗譜和極化曲線。在室溫下,工作電極是面積為1 cm2的25CrMo48V鋼試樣,輔助電極為鉑片,參比電極為飽和甘汞電極,腐蝕環境為3.5%NaCl溶液。首先使用電化學工作站測試開路電壓,待電壓穩定后測試電化學阻抗譜,掃描頻率設定范圍為100 kHz～10 mHz,擾動電壓10 mV,采用 ZSimpWin軟件對阻抗譜數據進行擬合。利用CView電化學分析軟件的Tafel外推法對極化曲線進行擬合,動電位極化曲線測試掃描電壓范圍為相對腐蝕電位±200 mV,掃描速率為0.5 mV/s,得出自腐蝕電位和自腐蝕電流密度[8]。

2 試驗結果與分析

2.1 顯微組織分析

圖1是25CrMo48V鋼試樣在1 T磁場條件下進行不同時間回火后的SEM圖。試樣在600 ℃高溫回火后,組織為回火馬氏體。隨著回火時間的延長,試樣會發生回復,位錯密度逐漸降低,造成亞晶界的合并以及板條界消失,因此,板條馬氏體寬度逐漸增粗。

圖1 600 ℃回火不同時間后試樣的SEM圖Fig.1 SEM images of the specimens tempered at 600 ℃ for different time(a) 10 min; (c) 30 min; (d) 60 min; (e) 180 min; (e) 240 min

圖2是25CrMo48V鋼試樣在1 T磁場條件下進行不同溫度回火后的SEM圖。試樣在200～600 ℃回火60 min后組織為板條馬氏體,隨著回火溫度的增加,板條馬氏體增粗,試樣發生回復。

圖2 不同溫度回火60 min后試樣的SEM圖Fig.2 SEM images of the specimens after tempering at different temperatures for 60 min(a) 200 ℃; (b) 300 ℃; (c) 400 ℃; (d) 500 ℃; (e) 600 ℃

2.2 電化學阻抗譜分析

圖3(a,b)分別是試樣在1 T磁場條件下進行不同回火時間和不同回火溫度處理后,在3.5%NaCl溶液中的電化學阻抗譜。電化學阻抗譜可以有效地評估腐蝕產物層的防護性能[9],試樣容抗弧半徑的大小可以反映試樣表面溶解速率大小,容抗弧半徑越大,試樣表面溶解速率越小,越耐蝕[10-11]。從圖3中可以看出,所有試樣的阻抗譜曲線形狀相似。從圖3(a)可以看出,隨著回火時間的延長,試樣容抗弧半徑先增大后減小,耐蝕性呈現先上升后下降的趨勢。25CrMo48V鋼試樣在回火時間為60 min時容抗弧半徑最大,金屬表面溶解速率最小,耐蝕程度最好。回火時間為10 min的試樣容抗弧半徑最小,耐蝕性最差。圖3(b)中回火溫度在400 ℃時,容抗弧半徑最大,試樣的耐蝕性能最好。回火溫度在200 ℃時,試樣的容抗弧半徑最小,此時的試樣耐蝕性能最差。

圖3 不同回火時間(a)和不同回火溫度(b)下試樣在3.5%NaCl 溶液中的電化學阻抗譜Fig.3 EIS plots of the specimens tempered for different time(a) and at tempering temperatures(b) in 3.5%NaCl solution

圖4(a,b)分別是試樣在1 T磁場條件下進行不同回火時間和不同回火溫度處理后,在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線。從圖4中可以看出,所有試樣的曲線形狀幾乎相同,這意味著回火后它們的電化學機理沒有改變[12]。

圖4 不同回火時間(a)和不同回火溫度(b)試樣在3.5%NaCl溶液中的極化曲線Fig.4 Dynamic potential polarization curves of the specimens tempered for different time(a) and at different temperatures(b) in 3.5%NaCl solution

通過Tafel曲線擬合獲得的電化學腐蝕參數列于表2中,隨著回火溫度和回火時間的增加,自腐蝕電流密度和自腐蝕電位均在變化,這意味著試樣表面生成了腐蝕產物。在腐蝕動力學方面,極化曲線中的自腐蝕電流密度表示腐蝕速率,自腐蝕電流密度越低,耐蝕性越好[13]。在不同回火時間的試樣中,自腐蝕電流密度相差不大,呈現先減小后增大的趨勢,回火時間為60 min的自腐蝕電流密度值最小,耐蝕性最好。在不同回火溫度的試樣中回火溫度為400 ℃時的自腐蝕電流密度最小為2.25 μA/cm2,耐蝕性能最好;回火溫度為200 ℃的自腐蝕電流密度最大,為11.49 μA/cm2,耐蝕性能最差。

表2 圖4中極化曲線擬合結果

3 結論

1) 25CrMo48V超高強度鋼在200～600 ℃分別回火60 min后試樣組織均為板條馬氏體,并且隨著回火溫度的升高,板條馬氏體增粗,發生回復。

2) 25CrMo48V超高強度鋼在600 ℃分別回火10、30、60、180、240 min后試樣組織為回火馬氏體,并且隨著回火時間的延長,回火馬氏體板條增粗,試樣發生回復。

3) 隨著回火時間的延長,容抗弧半徑先增大后減小,耐蝕性呈現先上升后下降的趨勢。在回火溫度為600 ℃時,回火10 min試樣的容抗弧半徑最小,回火60 min試樣的容抗弧半徑最大,耐蝕性較好。在不同回火溫度回火60 min時,回火溫度為200 ℃時,試樣的容抗弧半徑最小,耐蝕性能最差,400 ℃時的容抗弧半徑最大,耐蝕性最好。

4) 所有試樣的極化曲線形狀幾乎相同,表明回火處理后試樣的電化學機理沒有改變。在回火溫度為600 ℃,不同回火時間中,60 min的試樣自腐蝕電流密度最小,耐蝕性能最好。恒定保溫時間為60 min時,回火溫度為400 ℃的試樣腐蝕電流密度最小,耐蝕性能最好。