馬氏體不銹鋼腐蝕性能的研究

張 拯，林萬明，錢玉水

（太原理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，山西太原 030024）

馬氏體不銹鋼是在常溫下金相組織為馬氏體的不銹鋼，它的成分和鐵素體不銹鋼相似[1]。其化學(xué)成分具有以下特點：含有大于12%的鉻，不含鎳或含有少量鎳（≤2.0%），高碳（一般大于0.1%）[2]，從而導(dǎo)致馬氏體不銹鋼在含有氯化物或硫化物介質(zhì)中的耐腐蝕性能變差，只適合于輕度腐蝕的環(huán)境中，如大氣、水蒸汽等[3]。針對馬氏體耐腐蝕性能的不足，目前改進的方法主要有兩種，一是采用低碳和高鎳以獲得低碳馬氏體；二是加入鉬來提高其耐蝕性。

鐵素體不銹鋼對晶間腐蝕敏感，這種缺陷一般由間隙元素C、N引起[4-6]，而馬氏體不銹鋼相對鐵素體不銹鋼的含碳量更高，馬氏體的抗腐蝕性能要比鐵素體不銹鋼差[7，8]，通過降低碳含量可改善其耐蝕性能。易邦旺[9]通過改變鎳含量來提高13Cr型馬氏體不銹鋼的綜合性能，發(fā)現(xiàn)隨著鎳含量的增加，其耐腐蝕性能提高。在9Cr18Mo，Cr15MoCo等馬氏體不銹鋼的研究中發(fā)現(xiàn)，Mo添加對馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性能有明顯的提高[10，11]。

馬氏體不銹鋼通過適當(dāng)?shù)臒崽幚韽娀螅蛇m用于對強度、硬度、耐磨性等要求較高并兼有一定耐蝕性的零部件，如蒸汽渦輪的葉片、醫(yī)療器械及其油井管道。隨著能源工業(yè)的發(fā)展，特別是一些深井及高腐蝕環(huán)境油田的開發(fā)，對油井管材的耐蝕性能又提出了更高的要求[12]，因此對馬氏體不銹鋼耐腐蝕性能的研究是十分必要的。

本文中選擇了馬氏體不銹鋼3Cr13Mo和3Cr13作為對比試驗，研究了馬氏體不銹鋼的耐腐蝕性能及Mo元素的添加對馬氏體不銹鋼耐蝕性的影響。

1 試驗材料及試驗方法

1.1 試驗材料

試驗用不銹鋼3Cr13和3Cr13Mo為我國某大型鋼鐵企業(yè)熱軋不銹鋼板材，化學(xué)成分如表1所示。

表1 試驗用鋼的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)，%）

1.2 試驗過程

首先用線切割機將試樣加工成10 mm×10 mm×10 mm的長方體，用金相砂紙依次將試樣6個面打磨平整，測量出試樣的尺寸，并用丙酮去除試樣表面的油污，晾干；把6%的FeCl3溶液分別按面積比裝入兩個燒杯中，放入恒溫浴中保溫30 min，等FeCl3溶液溫度達到30℃時，將6個試樣3個1組，完全浸泡在兩組腐蝕液中，保溫30℃腐蝕72 h。選擇3組平行試驗，求平均值獲得較為準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)對比，通過腐蝕后形貌對比和失重率來比較兩種鋼種的耐腐蝕性。利用JSM-6700F型場發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察腐蝕后試樣表面形貌，通過PS-16A型電化學(xué)測試系統(tǒng)，對試樣進行極化腐蝕實驗，將不銹鋼和導(dǎo)線進行連接，并用丙烯酸酯涂在各個面進行包裹，暴露其中一個面，面積10 mm×10 mm，使用金相砂紙將試樣逐級打磨至1200#，用水清洗試樣的表面，并用脫脂棉沾丙酮擦拭，晾干。參比電極為甘汞電極，對比電極為鉑電極，試樣為工作電極。腐蝕液選用質(zhì)量分數(shù)為5%NaCl的水溶液，室溫操作。

2 實驗結(jié)果及分析

2.1 馬氏體不銹鋼的顯微組織

圖1 為馬氏體不銹鋼3Cr13和3Cr13Mo的金相顯微組織。圖中白色為鐵素體基體，黑色為被腐蝕碳化物，由于熱軋態(tài)的馬氏體不銹鋼發(fā)生了塑性變形，晶粒發(fā)生了位移和層錯，所以在經(jīng)過腐蝕，晶粒的分布表現(xiàn)為方向性，3Cr13、3Cr13Mo的金相組織差別不大，珠狀碳化物比較均勻彌散在整個基體上，而整體表現(xiàn)為方向性，如箭頭所示。

圖1 試樣的金相組織

2.2 馬氏體不銹鋼在6%FeCl3溶液中的腐蝕行為

圖2 為馬氏體不銹鋼在6%FeCl3溶液中的腐蝕失重量與時間的關(guān)系圖。

圖2 熱軋態(tài)馬氏體不銹鋼在FeCl3中的腐蝕失重

從圖2可以看出，3Cr13單位面積失重大于3Cr13Mo，兩種試樣在前12 h的失重速率都較快，隨著時間的增大，各自的失重速率逐漸減小，但3Cr13Mo的失重速率明顯小于3Cr13。這說明3Cr13Mo在強氧化劑FeCl3溶液中的耐腐蝕性能優(yōu)于3Cr13，不銹鋼中加入鉬，會增加鉻的鈍化作用，提高不銹鋼在酸性物質(zhì)中的抗腐蝕性能[11]。馬氏體加入鉬后，抗氯離子腐蝕性能也得到提高。

圖3 和圖4為馬氏體不銹鋼3Cr13和3Cr13Mo在6%FeCl3溶液中腐蝕不同時間后的宏觀形貌。通過觀察腐蝕宏觀形貌可知，熱軋導(dǎo)致馬氏體不銹鋼發(fā)生層錯和晶粒的延伸，腐蝕形貌腐蝕坑表現(xiàn)出明顯的方向性，并且很均勻沿著熱軋方向延伸。隨著腐蝕的時間的延長，腐蝕坑在變大，從圖中很顯然可以看出3Cr13Mo的腐蝕坑明顯要比3Cr13的腐蝕坑小。

圖3 馬氏體不銹鋼在FeCl3溶液中腐蝕12 h的宏觀形貌

圖4 馬氏體不銹鋼在FeCl3中的腐蝕36 h形貌

圖5 為試樣腐蝕36 h后的SEM圖，從圖5可以看出，腐蝕后腐蝕坑的形貌延軋制方向呈縱向長條狀，但3Cr13Mo的腐蝕坑較小。通過能譜分析發(fā)現(xiàn)腐蝕坑表面和基體成分基本相同，主要為鐵和鉻，同時因為產(chǎn)生氧化生成氧化鐵，所以含有少量的氧，而3Cr13Mo的中則含有少量的鉬。

圖5 馬氏體不銹鋼在FeCl3中的腐蝕36 h表面SEM形貌圖

2.3 馬氏體不銹鋼的極化腐蝕

3Cr13和3Cr13Mo馬氏體不銹鋼的極化曲線如圖6所示。

圖6 馬氏體不銹鋼3Cr13和3Cr13Mo極化曲線

通過圖6分析可知，3Cr13Mo的腐蝕電位比3Cr13的高，表明鉬對馬氏體不銹鋼的強度韌性和耐腐性能都是有利的，鉬對于腐蝕電位是有利因素，腐蝕電位的提高就說明電化學(xué)反應(yīng)的陰極和陽極在沒有極化的情況下標(biāo)準(zhǔn)電壓差減少，所以鉬在熱力學(xué)上有減少電化學(xué)腐蝕的趨勢。這是因為Mo有起到減少奧氏體區(qū)的作用，而且鉬在基體中也和碳結(jié)合，形成碳化物，并且鉬與碳的結(jié)合能力要大于鉻與碳的結(jié)合力，所以在鋼中加入鉬可以減少碳結(jié)合鉻造成鉻貧化的影響[11，12]。

鉻也會在基體中含量增加并且更加均勻，這樣鉬的加入會使不銹鋼的耐腐蝕性能得到提高。

3 結(jié)論

1）鉬的加入使馬氏體不銹鋼的抗FeCl3腐蝕性能得到一定的提高，鉬的加入同時也使馬氏體的腐蝕坑減小，這可能是由于鉬能夠促使馬氏體晶粒變小，從而抗腐蝕性能提高。

2）鉬的加入使得馬氏體不銹鋼的腐蝕電極電壓變高，但是由于鉬與鉻的作用，3Cr13Mo的腐蝕電極電流減小，所以加入鉬也增加了其抗電化學(xué)腐蝕性能。

［1］孔見.鋼鐵材料學(xué)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008，131-133

［2］薄鑫濤.不銹鋼鋼種發(fā)展的一些動向［J］.熱處理，2007，22（ 4）：5-9

［3］徐增華.金屬耐蝕材料［J］.腐蝕與防護，2001，22（5）：229-231

［4］李劍平,李偉,張宏賓.430不銹鋼板材顯微組織特征及其對腐蝕性能的影響［J］.材料熱處理技術(shù)，2011，40（6）：26-28

［5］朱朝明,田勁松.鐵素體不銹鋼晶間腐蝕試驗方法的探討［J］.材料保護，2008，41（10）：14-16

［6］劉繼明，梁建宇.合金元素對鐵素體不銹鋼抗腐蝕性能的影響［J］.山西冶金，2005（11）：9-12

［7］張 海，江海濤.00Cr12Ti鐵素體不銹鋼耐點蝕性能研究［J］.材料熱處理技術(shù)，2009，11（20）：31-34

［8］Marchetti L，Herms E，Laghoutaris P.Hydrogen embrittlement susceptibility of tempered 9%Cr-1%Mo steel［J］.International journal of hydrogenenergy，2011（36）:15880-15887

［9］易邦旺，錢學(xué)君，朗文運，等.鎳含量對13Cr型低碳馬氏體不銹鋼性能的影響［J］.金屬功能材料，1997（2）：75-78

［10］陸世英.在腐蝕環(huán)境中不銹鋼的合理選擇［J］.鋼鐵，1985,20（12）：3-16

［11］Calliari I，Zanesco M，Dabala M.Investigation of microstructure and properties of a Ni-Mo martensitic stainless steel［J］.Materials and Design,2008（29）：246-250

［12］徐文亮，唐豪清，孫元寧.合金元素對2Cr13馬氏體不銹鋼組織及性能的影響［J］.寶鋼技術(shù)，2008（5）：39-43