锰对2205双相不锈钢耐点蚀性能的影响

  浙江至德钢业有限公司研究锰元素对2205双相不锈钢耐点蚀性能的影响，锰质量分数的变化范围为0.93%～1.26%．分别采用化学腐蚀法、动电位极化法研究双相不锈钢2205的耐腐蚀性能，采用夹杂物自动分析技术研究锰对钢中夹杂物种类及数量的影响，通过扫描电镜、能谱及夹杂物原位分析法观察化学腐蚀及电化学腐蚀前后钢中夹杂物及其周围钢基体的变化情况。采用电感耦合等离子体发光光谱测定腐蚀产物的成分．研究结果表明，不同类型的夹杂物对耐腐蚀性能的影响不同，(锰、硅)氧化物以及(锰、硅、铬)氧硫化物在腐蚀液中更易溶解进而促进腐蚀，而(铬、，锰、铝)氧化物却很稳定．锰的加入会促进钢中(铬、锰、铝)夹杂的析出，此类夹杂物不仅自身很容易被含氯离子的溶液腐蚀，而且作为点蚀的起始点，促进了点蚀坑的形成，加快了基体腐蚀，最终导致不锈钢耐点蚀性能的下降．

 2205不锈钢是一种由铁素体及奥氏体组成的双相不锈钢，其点蚀当量在35左右．与奥氏体不锈钢相比，双相不锈钢有更高的强度，更好的韧性以及可焊接性能．与铁素体不锈钢相比，双相不锈钢有更好的耐腐蚀性能以及更高的屈服强度。因此2205双相不锈钢在石油、化工、造纸、能源、船舶、军事等工业领域都有广泛的应用。而2205双相不锈钢之所以可以在不锈钢领域占据一席之地，除了优越的性能，还有更低的生产成本．不锈钢生产中镍的成本在所有合金中占比最大，而锰和镍同为奥氏体稳定元素，因此添加较高含量的锰替代部分镍的方案引起了企业的注意．2002年开发成功含锰双相不锈钢并投入市场．

 关于锰在双相不锈钢中的作用及对各种性能的影响，至德钢业的研究表明，高锰高氮双相不锈钢中锰的加入能提高钢中氮的溶解度，起到固氮作用。浙江至德钢业有限公司对节镍高锰型2101双相不锈钢焊接性能的研究发现，焊缝中的氧化物含锰、氮较高，这些氧化物降低了焊缝的耐蚀性能．苏煜森等与方轶琉等对2101双相不锈钢高温热加工行为的研究发现，锰稳定奥氏体能力较镍弱，样品动态再结晶效果也会随之变差。锰作为一种合金元素，能够提高不锈钢的拉伸性能，淬硬性以及延展性。至德钢业研究了锰对双相不锈钢耐点蚀性能的影响，结果表明锰的加入会促进点蚀坑在奥氏体相及两相交界处形成，降低钢的耐点蚀性能。至德钢业研究表明锰的加入促进高锰--氮双相不锈钢中锰、铬氧化物的形成，而此类夹杂物可以作为点蚀源，降低不锈钢的耐点蚀性能．至德钢业在超级双相不锈钢25Cr--2Ni--3Mo--xMn--N的成分设计时，考虑了锰加入对不锈钢耐点蚀性能的影响，当锰质量分数超过12%时，会有σ相生成，进而造成不锈钢耐点蚀性能的下降．此外锰的加入势必会影响钢中夹杂物的形成，硫化锰作为最常见的夹杂物之一，除了降低不锈钢的延性特性以外，由于其在含氯离子的溶液中易于溶解而作为点蚀的起始点，使金属表面直接暴露在溶液中，加快腐蚀。2205双相不锈钢中硫含量很低，硫化锰夹杂较少，基本是氧化物夹杂，文献中很少有人对这方面进行研究．因此有必要研究锰的加入对该钢种中夹杂物的影响，以及各类夹杂物对耐腐蚀性能影响及机理。

 浙江至德钢业有限公司以2205双相不锈钢为研究对象，采用化学腐蚀法、电化学腐蚀法、夹杂物原位分析法、夹杂物自动分析技术、电感耦合等离子体发光光谱等方法系统研究锰的加入对其耐点蚀性能的影响。

一、实验方法

 实验原材料为2205双相不锈钢，来自于国内某不锈钢企业，其化学成分见表。

  将200±1g的不锈钢置于30mm×80mm的氧化镁坩埚中，然后将其放入管式硅钼棒炉中，全程通入200mL·min-1高纯Ar保护，以5℃·min-1的速率升温至1650℃，恒温2小时，待样品完全熔化后分别加入不同质量的电解金属锰(锰质量分数＞99%)．每组水淬后的钢锭经线切割，分别制成20mm×30mm×4mm的样品两个，10mm×10mm×4mm的样品4个。试样在1075℃固溶处理2小时后水淬，实验装置如图所示。

 将试样表面抛光至1.5um，用无水乙醇清洗干净，热风吹干，供夹杂物自动分析系统统计夹杂物的类型、尺寸和数量.再采用电子显微镜对特定类型的夹杂物进行观察与分析。

 锰的添加对2205双相不锈钢腐蚀率的影响见图，随着锰加入量的增加，样品腐蚀率也随之升高．因此，锰的添加会降低双相不锈钢的耐蚀性能．而样品的腐蚀失重主要来源于两个方面，一是不锈钢表面夹杂物的腐蚀，另一个是不锈钢基体自身的腐蚀。

 为探究夹杂物腐蚀机理，首先采用扫描电镜对2205双相不锈钢中的夹杂物进行观察分析．钢中夹杂物主要有3类，分别为(锰、硅)氧化物，(铬、锰、铝)氧化物以及(锰、硅、铬)氧硫化物．各类夹杂物在腐蚀前后的形貌变化及夹杂物中成分质量分数见图。(锰、硅)氧化物和(锰、硅、铬)氧硫化物经化学腐蚀后，基本完全被溶解，并在样品表面留下点蚀坑。而(铬、锰、铝)氧化物没有任何变化。点蚀坑的形成必然会提高双相不锈钢的腐蚀率，降低其耐点蚀性能．采用夹杂物自动分析技术对这3类夹杂物的尺寸和分布密度进行统计分析。

  影响双相不锈钢耐点腐蚀率的另一个原因则是钢基体的腐蚀，采用电感耦合等离子体发光光谱法测定腐蚀后溶液中锰、硅、钛、铬、铝和镍等元素的含量。由于未发现钢中有含镍夹杂物，因此溶液中的镍元素主要来源于钢基体，根据双相不锈钢化学成分，可折算出钢基体的质量损失．而其他元素折合成相应的氧化物，计算得到夹杂物的总质量，计算结果如图。图中钢基体的质量损失占绝大部分，说明对化学腐蚀而言，主要腐蚀的还是钢基体，夹杂物的溶解腐蚀占比较小．钢基体的质量损失一部分来自于基体的均匀腐蚀，另一部分为点蚀坑的加深造成的局部钢基体的腐蚀．通过夹杂物数量的统计结果来看，随着Mn的加入，钢中夹杂物的数量明显增加，尤其(锰、硅)氧化物，而此类夹杂物的溶解，在样品表面留下大量的点蚀坑，这些点蚀坑会恶化点蚀环境，促进局部钢基体的腐蚀．这说明导致钢基体腐蚀率上升的原因并非均匀腐蚀，而是点蚀加剧的结果。

二、结论

 1. 随着锰含量的增加，2205双相不锈钢的腐蚀率升高，点蚀电位下降，耐点蚀性能降低。

 2. 在化学腐蚀过程中，不同夹杂物对腐蚀率的影响不同。(锰、硅)氧化物容易被腐蚀液溶解，并留下点蚀坑，进一步促进钢基体的腐蚀。而(铬、锰、铝)氧化物不溶解于腐蚀液，对双相不锈钢的耐点蚀性能影响较小。此外，钢基体的腐蚀占整个腐蚀质量损失的大部分，夹杂物的腐蚀占比较小。

 3. 在电化学腐蚀中，(锰、硅)氧化物的存在会恶化其周围的腐蚀环境，促进点蚀坑的形成，降低双相不锈钢的耐点蚀性能。