UNSS32750不銹鋼中有害析出相的檢測方法

劉艷文,施小立,陳賢淼,胡君源,郭 青,李曉玲

[1.先健科技(深圳)有限公司,深圳518057;2.沛嘉醫療科技(蘇州)有限公司,蘇州215000]

隨著現代醫學的發展,不銹鋼以其優異的耐腐蝕性能和良好的生物相容性能成為外科植入性生物材料并得到廣泛應用。不銹鋼在鍛造加工、熱處理、局部焊接成型過程中易析出第二相,其中δ鐵素體相、χ 相、σ相等脆性相會降低不銹鋼的塑性和韌性[1-3]。舊版GB 4234－2003《外科植入物用不銹鋼》規定,不銹鋼在固溶處理狀態下不能有殘余δ鐵素體存在。采用金相顯微鏡觀察用鐵氰化鉀堿溶液浸蝕過的不銹鋼即可見橘色的δ鐵素體[4-5]。新版GB 4234.1－2017《外科植入物 金屬材料 第1部分:鍛造不銹鋼》于2017年12月正式發布,該標準明確規定,鋼材顯微組織中不應存在δ鐵素體相、χ相和σ相。目前沒有很好的方法可以同時檢測出不銹鋼中的δ鐵素體相、χ相和σ相,因此建立合適的檢測方法對GB 4234.1－2017的推廣應用至關重要。筆者采取掃描電鏡背散射像技術與X 射線能譜儀結合分析的方法,對UNS S32750雙相不銹鋼中的有害析出相進行觀察及檢測,為正確分辨不銹鋼中各種相提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗材料為UNS S32750雙相不銹鋼,尺寸為15 mm×15 mm×10 mm。該不銹鋼經1020 ℃加熱＋保溫30 min＋水冷后得到固溶處理試樣;再經830 ℃加熱＋保溫10 min＋空冷后得到時效處理試樣。UNS S32750雙相不銹鋼正常顯微組織為奧氏體(γ)相＋鐵素體(δ)相,經過上述時效處理后,易析出χ相和σ相,使材料中存在有害相(χ 相、σ相和δ相)[6]。

1.2 試驗方法

將經過固溶處理和時效處理的試樣分別沿縱向研磨、拋光,用鐵氰化鉀氫氧化鉀溶液(鐵氰化鉀10 g＋氫氧化鉀10 g＋水100 m L)浸蝕后,采用A1M 型金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織。采用JSM-6510型掃描電鏡(SEM)觀察浸蝕過的固溶處理試樣和未浸蝕過的時效處理試樣的二次電子(SEI)圖像和背散射(BEC)圖像,采用INCA XACT 250型X 射線能譜儀對這兩種試樣進行微區成分分析。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

經固溶處理后試樣的顯微組織形貌如圖1 所示,可見顯微組織中有淺黃色奧氏體γ相與橘色鐵素體δ相,且兩相沿縱向呈帶狀分布。經時效處理后試樣的顯微組織形貌如圖2所示,可見顯微組織中有淺黃色奧氏體γ相、橘色鐵素體δ相和沿晶分布的深褐色σ相。

圖1 固溶處理后試樣的顯微組織形貌Fig.1 Microstructure morphology of sample after solution treatment

圖2 時效處理后試樣的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of sample after aging treatment

2.2 掃描電鏡觀察及能譜分析

圖3為經固溶處理＋鐵氰化鉀氫氧化鉀溶液浸蝕后試樣的SEI圖像與BEC 圖像,可見試樣的BEC圖像的浮凸感比SEI圖像的更強,γ相和δ相的邊界線更清晰。

圖3 經固溶處理和浸蝕后試樣的SEI和BEC圖像Fig.3 a）SEI and b）BEC images of sample after solution treatment and etching

圖4 經固溶處理后未經浸蝕試樣的SEI和BEC圖像Fig.4 a）SEI and b）BEC images of sample without etching after solution treatment

圖4為經時效處理后未經鐵氰化鉀氫氧化鉀溶液浸蝕的試樣的SEI圖像與BEC圖像,可見試樣的SEI圖像不清晰,而從其BEC圖像可以清晰看到灰度從深到淺再到白亮的A,B,C,D 四種相,其中,C,D 相位于相界,且D 相數量明顯比C相的少。對圖3b)中δ相、γ相及圖4b)中A,B,C,D 相進行能譜(EDS)分析,結果如表1所示,可見C,D 相中的鉬元素質量分數明顯高于A,B相中的。

表1 試樣在圖3和圖4中不同位置的EDS分析結果(質量分數)Tab.1 EDS analysis results of different positions in Fig.3 and Fig.4 of sample（mass fraction） %

2.3 討論

UNSS32750雙相不銹鋼經固溶處理后顯微組織為奧氏體γ相和鐵素體δ相,經過時效處理后才會析出χ相和σ相。由于χ相(Cr12Fe36Mo10)中鉬元素的質量分數比σ相(FeCr Mo)中的更高,且χ相中元素的平均原子序數比σ相中元素的要大,因而在BEC圖像中χ相更亮。結合掃描電鏡觀察及能譜分析結果,試樣經時效處理后析出淺灰色的C相和白亮的D相,且D相中的鉬元素質量分數比C相中的更高,由此確定C相和D相分別為σ相和χ相[7]。

由表1中EDS分析結果可知,鐵素體δ相中的鉻元素和鉬元素質量分數高于奧氏體γ相中的,而A 相中的鉻元素和鉬元素質量分數高于B 相中的,結合金相檢驗結果,δ相的顏色比γ相的更深,可判斷A 相和B相分別為鐵素體δ相和奧氏體γ相。

3 結論

采用掃描電子顯微鏡背散射像技術與X 射線能譜儀結合分析的方法,可以分辨出UNS S32750雙相不銹鋼中的有害析出相。該方法能滿足GB 4234.1－2017的技術要求,可作為管控外科植入用不銹鋼質量的重要手段。