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    深冷处理对AISI310S不锈钢管耐腐蚀磨损性能的影响

    来源:至德钢业 日期:2018-09-05 23:25:15 人气:198

    研究了深冷处理对AISI310S不锈钢管3.5%(质量分数)NaCl溶液中耐腐蚀磨损性能的影响,将310S不锈钢管在-196℃进行保温深冷处理,结果表明:相对未深冷处理,深冷处理之后,材料的晶粒得到细化,更多碳化物弥散析出基体;深冷处理之后材料的耐腐蚀性能得到提高,在深冷处理4h时达到最佳值,相比未深冷处理,自腐蚀电位从-0.525V提高到-0.423V,提升了19.4%;且深冷处理之后,材料的耐腐蚀磨损性能得到提升,经过深冷处理4h,材料的磨损率从120×106mm3/Nm降低到63×106mm3/Nm,降低90%

    AISI310S不锈钢管因具有优良的耐腐蚀性能而被广泛应用于石油化工、管道输送等具有强烈腐蚀介质作用下的工况。AISI310S不锈钢管具有耐腐蚀性能的主要原因是大量元素CrNi的加入,而Cr元素是决定不锈钢管耐腐蚀性能的主要元素,不锈钢管的电极电位随着Cr元素含量的增加而跳跃性提升。但是310S不锈钢管在随后的热处理过程当中,Cr元素会以碳化物的形式析出基体,一方面,Cr的碳化物硬度比基体大,在服役磨损过程可以提高不锈钢管的耐磨损性能;另一方面,含Cr碳化物的析出,会导致基体某些部位出现Cr元素贫化区,增加了材料的电池数目,使得不锈钢管的电极电位下降,反而加速了不锈钢管的腐蚀。因此,AISI310S不锈钢管要获得良好的耐腐蚀磨损性能,需要考虑到不锈钢管材料的力学性能和耐腐蚀性能的结合。目前,一些学者通过热处理来改变不锈钢管的耐腐蚀性能,Isfahany等研究了奥氏体化的温度和时间、回火的温度和时间对不锈钢管力学性能和耐腐蚀性能的影响,发现奥氏体化温度可以改变力学性能但对腐蚀性能的影响很小,而回火温度通过对第二相的影响,对材料的耐腐蚀影响比较大,通过控制适当的奥氏体化温度和回火温度,来达到耐腐蚀磨损性能的提高。一些学者用表面处理来提高材料的耐腐蚀磨损性能,Xi等通过在马氏体不锈钢管表面渗氮,得出低温渗氮在材料表层形成扩散层,提高材料耐磨性,与Cr发生作用和化学稳定相07-Fe3N两者共同提升材料耐腐蚀性能的结论。

    深冷处理是把被处理材料或者工件放置于可控的、特定的低温环境中,促使材料的微观组织结构发生变化,从而在宏观上表现为材料的耐磨损性能、尺寸稳定性、抗拉强度、残余应力各个方面性能的提高,目前已经证明可以提高金属材料的耐摩擦磨损性能,但对材料的耐腐蚀磨损性能的提升,目前研究甚少,所以本工作以AISI310S不锈钢管为研究对象,探讨深冷处理对310S不锈钢管3.5%(质量分数)NaCl溶液中耐腐蚀磨损性能的影响以及相关的腐蚀磨损机理。

    1实验

    1.1实验材料及深冷处理工艺

    本实验原材料采用退火态为AISI310S(0Cr25Ni20)不锈钢管棒材,样品尺寸为直径20mm×厚度2mm的圆柱片,化学成分如表1所示。

    310S不锈钢管的常规热处理为淬火+回火,本实验采用淬火+深冷处理+回火对310S不锈钢管进行处理,具体步骤如图1所示,首先将一批310S不锈钢管试样在管式炉氩气保护加热到1050℃,在此温度下保温1h后,进行水冷淬火处理,然后立即放入深冷设备中,打开液氮阀,设定温度-196℃,设定降温速率为10/min,保温112h,以5/min升温速率恢复到室温,最后取出再进行200℃×1h低温回火,从而获得不同深冷处理之后的310S不锈钢管实验样品。为了便于比较,用同样的方法制备了没有经过深冷处理的310S不锈钢管实验样品[11]。为了方便标记,未深冷处理记为DT-0,深冷处理1h2h4h8h12h分别记为DT-1DT-2DT-4DT-8DT-12。将深冷处理之后的试样用由粗到细的砂纸打磨,然后用抛光机抛光。随后采用盐酸30mL+三氯化铁50g+去离子水70mL配制的溶液进行腐蚀。腐蚀时间约为3s,然后立即用流动清水冲洗干净,接着使用酒精清洗,再用吹风机吹干,完成样品制备。

    1.2极化曲线的测量

    为了测量310S不锈钢管深冷处理之后试样的耐腐蚀性能,在室温下使用CHI760B型电化学工作站对试样进行极化曲线测试。溶液为3.5%(质量分数)NaCl溶液,参比电极为饱和的甘汞电极,辅助电极为铂电极,扫描范围为-0.10V,扫描速度为0.01V/s

    1.3腐蚀磨损实验以及硬度测试

    腐蚀磨损实验在美国Rtec公司产的MFT-5000多用途摩擦磨损试验机上进行,采用球-盘往复滑动接触方式。摩擦副用球为硬质合金球(硬度为HC92,直径为10mm)。在进行摩擦实验之前,先将样品打磨平整并抛光,以减小后续磨痕截面检测的误差。腐蚀摩擦磨损实验在室温下3.5%(质量分数)NaCl盐溶液中进行,摩擦实验参数:施加垂直载荷为150N,时间为7min,往复行程为5mm,线速度为8mm/s。使用超景深三维显微镜对样品表面磨痕的截面进行检测,选取磨痕的不同位置多点测量磨痕截面轮廓,然后使用微积分计算出磨痕的截面积A,利用磨损率计算公式:I=AL/SF计算出每个样品的磨损率,I单位为mm3/Nm;A单位为mm2;S为磨损行程,单位为m;F为施加样品的载荷,单位为N。使用FM-AS900显微硬度计来测量样品维氏硬度,载荷4.9N,时间15s,每个样品至少测试10次取平均值,以减小实验的误差。

    1.4成分与微观分析方法

    使用德国布鲁克公司D8ADVANCEXX射线衍射仪(XD)测试样品的物相成分,CuKα,实验参数设置:λ=0.1546nm,扫描范围2090°,控制电压40kV;采用JEOL公司生产的型号为JSM-7001F的扫描电子显微镜(SEM)对样品的微观组织和磨痕形貌进行测试观察,并使用配套的能谱仪(EDS)对成分进行测试,加速电压0.530kV,放大倍率5300000;使用美国Rtec公司生产的MFT-5000摩擦实验机进行摩擦学性能测试;采用型号为VHX1000C的超景深三维显微镜测试磨痕截面轮廓曲线。

    2结果与分析

    2.1XD分析

    2310S不锈钢管经过不同深冷处理时间后的X射线衍射图。如图2(a)所示,未经过深冷处理310S不锈钢管试样(DT-0)的主要衍射峰是奥氏体峰,表明310S不锈钢管主要是含元素CrNi的奥氏体。经过深冷处理之后,如图2(b),样品的主峰仍然为奥氏体峰,但奥氏体的主峰峰值向右偏移,并且随着深冷时间的延长,峰值向右偏移得更加明显。结果表明,经过深冷处理之后,材料的衍射角增大,根据布拉格公式:2dsinθ=nλ,λ不变,n为任何正整数,晶面面间距d减小,奥氏体晶格常数变小,晶粒变小,所以深冷处理可以使得奥氏体晶粒变小。

    2.2微观组织分析

    3为不同深冷处理工艺之后310S

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