2205雙相不銹鋼在H2SO4溶液中的電化學腐蝕行為

朱 健

（撫順市特種設備監督檢驗所，遼寧 撫順 113006）

雙相不銹鋼兼具鐵素體和奧氏體性能特點，具有較高的強度，較好的韌性和塑性，優良的耐蝕性能和焊接性，在石油、化工、運輸、儲存和建筑等領域得到廣泛的應用[1]。在某些腐蝕性介質環境并較低的溫度下，雙相不銹鋼逐步取代單相奧氏體不銹鋼，雙相不銹鋼組織結構中奧氏體和鐵素體組織分配及耐蝕性能是人們所關注的問題，國內外研究學者對雙相不銹鋼的組織與性能進行了大量的研究工作[2]。本文研究2205 雙相不銹鋼在H2SO4溶液中的電化學腐蝕行為，在不同溫度條件下與不同濃度H2SO4溶液中分析2205 雙相不銹鋼腐蝕行為機理。

1 試驗材料與試驗方法

1.1 試驗材料

采用的試驗材料為2205 雙相不銹鋼，其化學成分如表1 所示。

表1 2205 雙相不銹鋼的化學成分 w/%

1.2 試驗方法

1.2.1 金相觀察

沿著材料的縱向截取金相試樣，尺寸為25 mm×10 mm×2 mm，試樣經打磨與拋光后，使用鐵氰化鉀與氫氧化鈉的水溶液進行腐蝕，待腐蝕后吹干，用萊卡光學顯微鏡（Leica Qwin500）進行顯微組織觀察。根據ASTM E562 標準，采用網格數點法測定2205雙相不銹鋼顯微組織中奧氏體和鐵素體相比例。

1.2.2 電化學性能測試

利用CS350 電化學工作站進行2205 雙相不銹鋼電化學性能測試，采用三電極體系，工作電極為2205 雙相不銹鋼，鉑電極為輔助電極，飽和甘汞作為參比電極。在相同溫度（室溫）條件下，H2SO4質量分數分別為0.5%、2%、5%和10%進行電化學測試，電化學測試的試驗參數為掃描速率為1 m·s-1，掃描范圍為-0.3～1 V（vs.OCP）。

2 試驗結果與討論

2.1 顯微組織

2205 雙相不銹鋼的顯微組織如圖1 所示，可以看出，顯微組織中鐵素體相和奧氏體相呈現條狀，并呈相間排列，其中白色區域為奧氏體相，灰黑色區域為鐵素體相。組織分布均勻，無雜質析出相。

圖1 2205 雙相不銹鋼顯微組織

依據ASTM E562—2011 標準， 2205 雙相不銹鋼顯微組織中奧氏體相和鐵素體相的體積分數利用網格法進行測定，如圖2 所示。對500 倍顯微組織圖進行網格劃分，網格大小為1 cm×1 cm，平均分成5 組，每組網格數量為350 個，位于網格的交點處鐵素體相記為1，網格交點位于鐵素體相和奧氏體相交界處記為0.5，奧氏體相體積分數=100%-鐵素體相體積分數。計算每組網格內鐵素體相的體積分數，5 組網格的計算結果取平均值。

圖2 網格交點數點法示意圖

n—測量數，取n=5。

鐵素體相體積分數平均值為：

利用公式（1）計算，得出鐵素體相體積分數平均值為42.5%，則奧氏體相體積分數平均值為57.5%。雙相不銹鋼中鐵素體相與奧氏體相的比例為30%～70%時,可以獲得良好的性能[3]。雙相不銹鋼被認為是鐵素體和奧氏體大致各占一半,但為了獲得最佳的韌性和加工特性，傾向于奧氏體相體積分數稍高于鐵素體相體積分數[4-5]。

表2 鐵素體相的體積分數

2.2 電化學性能

2.2.1 極化曲線

在室溫條件下，2205 雙相不銹在不同濃度H2SO4溶液的極化曲線如圖3 所示，極化擬合數據如表3 所示。表3 中Ep為致鈍電位，Eb為擊穿電位，Ib為擊穿電流密度。

圖3 2205 雙相不銹鋼在不同溶度H2SO4溶液中的極化曲線

表3 2205 雙相不銹鋼電化學極化過程的實驗數據

在不同濃度H2SO4溶液中，2205 雙相不銹鋼均出現鈍化現象。極化曲線的活化區較小，沒有發生明顯陽極溶解，在金屬表面生成鈍化膜，產生電化學鈍化現象。從表3 中可以看出，H2SO4溶液濃度從0.5%升高5%，鈍化膜的擊穿電位提高，擊穿電流密度增大。在5%H2SO4溶液中，擊穿電位為-14.03 mV，擊穿鈍化膜所需的電流密度為14.028×10-4A·cm-2，鈍化區電位差值為328.24 mV，鈍化膜穩定性較好。在 10% H2SO4溶液中，擊穿電位的值最低為-70.63 mV，鈍化區電位差值為144.87 mV，鈍化電位區間小，鈍化膜的穩定性差，金屬表面易出現點蝕。由活化狀態轉為鈍化狀態時金屬表面形成鈍化膜，抑制金屬的溶解，金屬處于鈍化狀態，腐蝕速率非常低[6]。當電位繼續升高，金屬的電極電位達到擊穿電位后，金屬表面鈍化膜局部區域遭到破壞，金屬陽極加速腐蝕，金屬電極表面出現點蝕特征[7]。

2.2.2 交流阻抗

在室溫條件下，2205 雙相不銹鋼在不同濃度H2SO4溶液的交流阻抗曲線如圖4 所示，阻抗擬合數據如表4 所示。從表4 中可以看出，H2SO4溶液質量分數從0.5%升高5%，電荷轉移電阻的值呈現先增加后降低的趨勢。當H2SO4溶液溶度達到5%時，電荷轉移電阻Rct 的值最大為8.222×10-3Ω·cm-2，當H2SO4質量分數達到10%時，電荷轉移電阻Rct的值最小為1.92×10-4×10-3Ω·cm-2。容抗弧的半徑大，腐蝕過程中電荷轉移電阻越大，耐蝕性越好，越不易發生腐蝕。由于，2205 雙相不銹鋼在5%H2SO4溶液中致鈍化電位較低，易形成鈍化膜，具有較好的耐蝕性能。

圖4 2205 雙相不銹鋼在不同溶度H2SO4溶液中的交流阻抗曲線

表4 2205 雙相不銹鋼在不同溶度H2SO4溶液中電荷轉移電阻

2.3 分析與討論

2205 雙相不銹鋼中含有質量分數為22%的Cr元素，5.5%的Ni 元素，添加鉻、鎳可以提高鋼鐵的鈍化能力，提高合金的穩定性[8]。此外，2205 雙相不銹鋼在稀硫酸介質中發生電化學腐蝕，極化曲線上極化活化區域小，金屬陽極發生溶解速度緩慢，在外加電流作用下，金屬表面形成很薄的硫酸根離子吸附層，溶液中氧原子進入吸附層填補鈍化膜中氧空位，改變金屬與溶液介質的界面結構，提高陽極金屬反應的活化能力，金屬發生鈍化，陽極電位正移，金屬表面反應的活化能力降低，腐蝕速率減小[9]。當氧空位產生的速度大于其消失的速度，多余的氧就會在金屬與鈍化膜界面處積累，尤其在鈍化膜的薄弱處積累，為點蝕形成提供有利的條件，腐蝕電流密度突然增大，陽極電位達到鈍化膜擊穿電位，鈍化膜遭受破壞，發生點蝕[10-11]。

3 結論

1）2205 雙相不銹鋼顯微組織由鐵素體相和奧氏體構成，鐵素體相體積分數平均值為42.5%，則奧氏體相體積分數平均值為57.5%。

2）在不同濃度H2SO4溶液中，2205 雙相不銹鋼均出現鈍化現象，極化曲線的活化區較小，沒有發生明顯陽極溶解現象。

3）在5% H2SO4溶液中，2205 雙相不銹鋼鈍化膜的擊穿電位較高，擊穿電流密度大，鈍化區間寬，鈍化膜穩定性較好。