2205雙相不銹鋼電解腐蝕新方法

謝曉宇

(上海電氣集團股份有限公司 中央研究院, 上海 200070)

2205(022Cr23Ni5Mo3N)雙相不銹鋼是第二代新型含氮雙相不銹鋼，經過固溶處理后，其組織中鐵素體和奧氏體含量大致相同，均由鉻元素(質量分數為22%)、鎳元素(質量分數為5%)等主要元素構成。由于雙相不銹鋼中同時存在奧氏體與鐵素體，因此與單純的奧氏體不銹鋼相比，晶間腐蝕傾向更小。由于雙相不銹鋼在敏化溫度范圍內加熱時，Cr23C6未在奧氏體晶界析出，而先在鐵素體內析出，這就使得鉻化物不會在晶界處聚集，從而造成嚴重的貧鉻現象。此外，雙相不銹鋼的耐腐蝕性也高于奧氏體不銹鋼，由于2205雙相不銹鋼的兩相含量幾乎相同，在許多介質中能達到鈍化狀態，故而有較好的耐腐蝕性[1-2]，但優秀的耐腐蝕性卻導致雙相不銹鋼在金相檢驗中很難得到清晰的顯微組織。

1 金相檢驗及原有腐蝕方法

1.1 金相檢驗方法

雙相不銹鋼經切割→鑲嵌→磨制→拋光后得到磨面平整光滑、沒有磨痕和變形層的金相試樣，用適當的化學或物理方法對試樣的拋光面進行腐蝕，從而在金相顯微鏡下可以清晰地顯示出金屬與合金的內部組織，這個過程稱為金屬材料的金相檢驗[3]。

1.2 金屬材料的電化學腐蝕機理

1.2.1 電化學腐蝕原理

從廣義上講，金屬材料的電化學腐蝕是指金屬與導電介質因發生電化學作用而造成的破壞，也可以認為其是依靠腐蝕電池的陰、陽極反應而進行的腐蝕過程。在生活中，金屬材料的電化學腐蝕處處可見，如橋梁鋼架及露天放置的金屬設備在潮濕大氣中的腐蝕，船體、碼頭及海上采油平臺在海水中的腐蝕等。

1.2.2 電解的作用

電解是指在外加直流電源的作用下，電流通過電解質溶液引起電解池的陰、陽兩極上發生化學變化，從而將電能轉化為電解產物儲藏的化學能的過程。電解時，電解質中的陰、陽離子分別向電解池的正、負極，即陽、陰極移動，并分別在電極上得、失電子發生氧化還原反應[4]。

電解侵蝕是基于電化學溶解的作用，被侵蝕的試樣作為陽極，不銹鋼作為陰極，容器中盛放電解液，當接通電流后，由于各相之間與晶粒之間的析出電位不一致，在微弱電流作用下各相的侵蝕程度不同，從而顯示各相的組織。

1.3 金相檢驗原有的腐蝕方法

GB/T 26956—2011 《金屬材料焊縫破壞性試驗 宏觀和微觀檢驗用侵蝕劑》中規定的侵蝕劑能使普通的不銹鋼形成較清晰的顯微組織，對于雙相不銹鋼、超級雙相不銹鋼和鎳基合金等耐腐蝕性較強的材料，其腐蝕效果往往無法達到要求[5]。

常用的雙相不銹鋼腐蝕方法有以下4種。

(1) 5 g氯化高鐵、50 mL鹽酸和100 mL水，在室溫(10～35 ℃)或者加熱情況下使用。這種方法耗時長，鹽酸加熱會產生毒性物質，對人體傷害大。鹽酸的購買、運輸、儲存及處理都有很高要求。

(2) 熱腐蝕法：將10～15 g鐵氰化鉀、10～30 g氫氧化鈉和100 mL水混合作為侵蝕劑，將侵蝕劑煮沸后侵蝕試樣5～10 min。這種方法操作復雜，容易過度侵蝕，侵蝕得到的顯微組織效果不好。

(3) 中國專利cn107976459a公開了一種雙相不銹鋼金相腐蝕方法：采用體積分數為10%～20%的高氯酸酒精溶液電解拋光20～30 s，電壓為10～20 V，電流為1～2 A；中國專利cn103924246a公開了一種雙相不銹鋼金相腐蝕方法：侵蝕劑含鹽酸0.065～0.125 g/mL，偏重亞硫酸鉀0.017～0.029 g/mL，在保溫條件下侵蝕10～20 min。以上兩種方法均操作復雜，所用高氯酸、偏重亞硫酸鉀危險性較高。特別是高氯酸，有強氧化性和腐蝕性，與有機物、還原劑、易燃物等接觸或混合時有燃燒、爆炸的危險。

(4) 中國專利cn103123318a公開了一種雙相不銹鋼金相腐蝕液：使用鹽酸、苦味酸與無水乙醇的體積比為5…1…100的溶液進行侵蝕；中國專利cn106248460a公開了一種雙相不銹鋼金相腐蝕方法：用質量分數為0.05%～0.3%，pH不大于2的三氯化鐵、鹽酸水溶液對試樣進行侵蝕，再經450～550 ℃加熱、保溫、冷卻。以上兩種方法所得到的顯微組織兩相區分度均不高，且被腐蝕相為黑色，與不銹鋼中常出現的碳化物等無法區分；苦味酸具有強烈的苦味，高溫、接觸明火、振動、撞擊等都會使其發生爆炸，且可引起慢性中毒，危害人體健康。此外，以上兩種方法也容易出現過度侵蝕的情況。

2 電解腐蝕新方法驗證試驗

2.1 試驗材料及設備

試驗主要使用的設備有電解腐蝕裝置、整流器(電壓為1～12 V，電流為0～100 A)、掃描電子顯微鏡(SEM)、光學顯微鏡。主要試驗材料有草酸、碳酸氫鈉、濃硝酸。

2.2 試驗過程

(1) 將待腐蝕試樣用120～2 000目砂紙逐級打磨后，用3.5 μm和1 μm的金剛石研磨膏拋光[6]。

(2) 取適量草酸，加少量去離子水溶解，取適量碳酸氫鈉，緩慢加入溶液并攪拌，等待溶液中的氣泡平靜后，加熱至微沸并攪拌。待溶液均勻后用移液管緩慢加入少量濃硝酸，使用去離子水定容至500 mL，最后加入少量甘油，并靜置1 h。其中硝酸與甘油只需要少量即可，草酸與碳酸氫鈉的質量比約為1…1。

(3) 將配置好的腐蝕液放入自制電解腐蝕裝置，被腐蝕面面對腐蝕金屬板，電壓調整為5 V，對試樣進行電解腐蝕。15 s后將試樣取出，一邊用棉花輕輕擦拭,一邊用去離子水沖洗。

2.3 試驗結果

將腐蝕產物清洗干凈后，用酒精噴撒試樣的被腐蝕面，并吹干。采用光學顯微鏡觀察試樣，其微觀形貌如圖1所示。從圖1可以看出：試樣中的奧氏體未被腐蝕(凸出，淺灰)，鐵素體被腐蝕(凹下，白色)，邊界有少量的碳化物；試樣顯微組織清晰，兩種組織和碳化物區分明顯。

圖1 試樣的微觀形貌

采用SEM對試樣的被腐蝕面進行觀察，其SEM形貌如圖2所示。從圖2可以看出：試樣的奧氏體和鐵素體的凹凸顯示明顯，可以清楚地感受到立體效果。

圖2 試樣的SEM形貌

3 結語

(1) 草酸、碳酸氫鈉和甘油都是較安全且無毒的化學品，易于購買；硝酸雖然是強酸，但是相較于鹽酸和硫酸，使用硝酸降低了實驗室在管制化學藥品的硬件投入和日常管理投入。

(2) 電解腐蝕試驗是在常溫下進行的，無需加熱，整個過程中不產生酸霧，不產生有毒、有刺激性的化學物質，對人體的傷害較輕。

(3) 配置腐蝕液所采用的化學品濃度均較低，試驗中電流及電壓較小，提高了試驗的安全性。電解腐蝕時間短，腐蝕液可以重復使用，提高了工作效率。

(4) 對于除2205鋼之外的其他雙相不銹鋼，可以采用適當延長或者降低電解腐蝕時間的方法來獲得清晰的顯微組織。