腐蚀不锈钢的方法（双相不锈钢电解腐蚀新方法）
摘 要:2205双相不锈钢因具有高耐腐蚀性,在进行材料性能评定时,其显微组织很难快速、清晰地显现出来。在现有双相不锈钢腐蚀方法的基础上,采用草酸、碳酸氢钠、硝酸和甘油的配方,对腐蚀液进行优化,运用电解腐蚀的方法,可以在短时间内得到清晰的双相不锈钢显微组织。
关键词:2205双相不锈钢;金相检验;耐腐蚀性;电解腐蚀;显微组织
中图分类号:TG178 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2022)05-0004-03
2205(022Cr23Ni5Mo3N)双 相 不 锈 钢 是 第 二 代新型含氮双相不锈钢,经过固溶处理后,其组织 中铁素体和奥氏体含量大致相同,均由铬元素(质 量分数为22%)、镍元素(质量分数为5%)等主要 元素构成。由于双相不锈钢中同时存在奥氏体与 铁素体,因此与单纯的奥氏体不锈钢相比,晶间腐 蚀倾向更小。由于双相不锈钢在敏化温度范围内 加热时,Cr23C6 未在奥氏体晶界析出,而先在铁素 体内析出,这就使得铬化物不会在晶界处聚集,从 而造成严 重 的 贫 铬 现 象。此 外,双 相 不 锈 钢 的 耐 腐蚀性也高于奥氏体不锈钢,由于2205双相不锈 钢的两相含 量 几 乎 相 同,在 许 多 介 质 中 能 达 到 钝 化 状 态,故 而 有 较 好 的 耐 腐 蚀 性[1-2],但 优 秀 的 耐 腐蚀性却导致双相不锈钢在金相检验中很难得到 清晰的显微组织。
1 金相检验及原有腐蚀方法
1.1 金相检验方法
双相不锈钢经切割→镶嵌→磨制→抛光后得到 磨面平整光滑、没有磨痕和变形层的金相试样,用适 当的化学或物理方法对试样的抛光面进行腐蚀,从 而在金相显微镜下可以清晰地显示出金属与合金的 内部组织,这个过程称为金属材料的金相检验[3]。
1.2 金属材料的电化学腐蚀机理
1.2.1 电化学腐蚀原理
从广义上讲,金属材料的电化学腐蚀是指金属 与导电介质因发生电化学作用而造成的破坏,也可 以认为其是依靠腐蚀电池的阴、阳极反应而进行的 腐蚀过程。在生活中,金属材料的电化学腐蚀处处 可见,如桥梁钢架及露天放置的金属设备在潮湿大 气中的腐蚀,船体、码头及海上采油平台在海水中的 腐蚀等。
1.2.2 电解的作用
电解是指在外加直流电源的作用下,电流通过电解质溶液引起电解池的阴、阳两极上发生化学变 化,从而将电能转化为电解产物储藏的化学能的过 程。电解时,电解质中的阴、阳离子分别向电解池的 正、负极,即阳、阴极移动,并分别在电极上得、失电 子发生氧化还原反应[4]。
电解侵蚀是基于电化学溶解的作用,被侵蚀的 试样作为阳极,不锈钢作为阴极,容器中盛放电解 液,当接通电流后,由于各相之间与晶粒之间的析出 电位不一致,在微弱电流作用下各相的侵蚀程度不 同,从而显示各相的组织。
1.3 金相检验原有的腐蚀方法
GB/T26956—2011 《金属材料焊缝破坏性试 验 宏观和微观检验用侵蚀剂》中规定的侵蚀剂能使 普通的不锈钢形成较清晰的显微组织,对于双相不 锈钢、超级双相不锈钢和镍基合金等耐腐蚀性较强 的材料,其腐蚀效果往往无法达到要求[5]。
常用的双相不锈钢腐蚀方法有以下4种。
(1)5g氯化高铁、50 mL 盐酸和100 mL 水, 在室温(10~35 ℃)或者加热情况下使用。这种方 法耗时长,盐酸加热会产生毒性物质,对人体伤害 大。盐酸的购买、运输、储存及处理都有很高要求。
(2)热腐蚀法:将10~15g铁氰化钾、10~30g 氢氧化钠和100mL 水混合作为侵蚀剂,将侵蚀剂 煮沸后侵蚀试样5~10 min。这种方法操作复杂, 容易过度侵蚀,侵蚀得到的显微组织效果不好。
(3)中国专利cn107976459a公开了一种双相 不锈钢金相腐蚀方法:采用体积分数为10%~20% 的高氯酸酒精溶液电解抛光20~30s,电压为10~ 20V,电流为1~2A;中国专利cn103924246a公开 了一种双 相 不 锈 钢 金 相 腐 蚀 方 法:侵 蚀 剂 含 盐 酸 0.065~0.125g/mL,偏 重 亚 硫 酸 钾 0.017 ~ 0.029g/mL,在保温条件下侵蚀10~20min。以上 两种方法均操作复杂,所用高氯酸、偏重亚硫酸钾危 险性较高。特别是高氯酸,有强氧化性和腐蚀性,与 有机物、还原剂、易燃物等接触或混合时有燃烧、爆 炸的危险。
(4)中国专利cn103123318a公开了一种双相 不锈钢金相腐蚀液:使用盐酸、苦味酸与无水乙醇的 体积 比 为 5∶1∶100 的 溶 液 进 行 侵 蚀;中 国 专 利 cn106248460a公开了一种双相不锈钢金相腐蚀方 法:用质量分数为0.05%~0.3%,pH 不大于2的三 氯化铁、盐酸水溶液对试样进行侵蚀,再经 450~ 550℃加热、保温、冷却。以上两种方法所得到的显微组织两相区分度均不高,且被腐蚀相为黑色,与不 锈钢中常出现的碳化物等无法区分;苦味酸具有强 烈的苦味,高温、接触明火、振动、撞击等都会使其发 生爆炸,且可引起慢性中毒,危害人体健康。此外, 以上两种方法也容易出现过度侵蚀的情况。
2 电解腐蚀新方法验证试验
2.1 试验材料及设备
试验主要使用的设备有电解腐蚀装置、整流器 (电压为1~12V,电流为0~100A)、扫描电子显微 镜(SEM)、光学显微镜。主要试验材料有草酸、碳 酸氢钠、浓硝酸。
2.2 试验过程
(1)将待腐蚀试样用120~2000目砂纸逐级 打磨 后,用 3.5μm 和 1μm 的 金 刚 石 研 磨 膏 抛 光[6]。
(2)取适量草酸,加少量去离子水溶解,取适量 碳酸氢钠,缓慢加入溶液并搅拌,等待溶液中的气泡 平静后,加热至微沸并搅拌。待溶液均匀后用移液 管缓慢 加 入 少 量 浓 硝 酸,使 用 去 离 子 水 定 容 至 500mL,最后加入少量甘油,并静置1h。其中硝酸 与甘油只需要少量即可,草酸与碳酸氢钠的质量比 约为1∶1。
(3)将配置好的腐蚀液放入自制电解腐蚀装 置,被腐蚀面面对腐蚀金属板,电压调整为5V,对 试样进行电解腐蚀。15s后将试样取出,一边用棉 花轻轻擦拭,一边用去离子水冲洗。
2.3 试验结果
将腐蚀产物清洗干净后,用酒精喷撒试样的被 腐蚀面,并吹干。采用光学显微镜观察试样,其微观 形貌如图1所示。从图1可以看出:试样中的奥氏 体未被腐蚀(凸出,浅灰),铁素体被腐蚀(凹下,白 色),边界有少量的碳化物;试样显微组织清晰,两种 组织和碳化物区分明显。
采用 SEM 对 试 样 的 被 腐 蚀 面 进 行 观 察,其 SEM 形貌如图2所示。从图2可以看出:试样的奥 氏体和铁素体的凹凸显示明显,可以清楚地感受到 立体效果。
3 结语
(1)草酸、碳酸氢钠和甘油都是较安全且无毒 的化学品,易于购买;硝酸虽然是强酸,但是相较于 盐 酸和硫酸,使用硝酸降低了实验室在管制化学药品的硬件投入和日常管理投入。
(2)电解腐蚀试验是在常温下进行的,无需加 热,整个过程中不产生酸雾,不产生有毒、有刺激性 的化学物质,对人体的伤害较轻。
(3)配置腐蚀液所采用的化学品浓度均较低, 试验中电流及电压较小,提高了试验的安全性。电 解腐蚀时间短,腐蚀液可以重复使用,提高了工作 效率。
(4)对于除2205钢之外的其他双相不锈钢,可 以采用适当延长或者降低电解腐蚀时间的方法来获 得清晰的显微组织。
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