热处理对310S不锈钢管在硫酸溶液中的腐蚀磨损行为的影响

很多金属在一些特殊的介质环境中容易生成一层钝化膜而变成惰性状态，比如铁、镍、铬和钛等金属元素，当他们处于腐蚀环境中时，其表面会很容易与外界的腐蚀性介质发生化学反应，形成一层1~10mm的致密钝化膜覆盖在金属的表面，将其与外界的腐蚀环境相隔离，导致他们的腐蚀速率减少几个数量级。钝化膜的致密度以及厚度与金属自身性质相关。比如，不锈钢、碳钢以及铁放于浓硝酸环境中，金属表面会生成厚度分别为1mm、3nm以及10mm左右。由于不锈钢中一般含有大量的镍、铬、钼、钴和钛等金属元素，所以虽然不锈钢的钝化膜厚度最小但致密度却是最大的，因此不锈钢的耐腐蚀性能也是最好的。除此之外，影响其本身自钝化能力的外界参数主要包括：溶液的浓度、溶液的组分以及环境温度等。

 310S不锈钢管由于其高含量的铬和镍元素，当其在硫酸环境中时，铬和镍元素能够迅速形成一层致密的钝化膜覆盖在材料的表面，从而使得310S不锈钢管广泛应用于石油化工、锅炉管道等酸性腐蚀环境中。但由于它硬度低，不耐摩擦磨损，大多数零部件最终由于严重的磨损而过早失效。因此，在实际生产应用中如何在其优良的耐蚀性能的基础上提高其耐磨损性能至关重要。目前针对改善奥氏体不锈钢的耐腐蚀磨损性能的研究主要是电化学保护和表面处理等。对于通过热处理利用第二相强化来改善其耐腐蚀磨损性能的报道很少。310S不锈钢管中含有大量的铬、镍等元素，导致其在铸造以及随后的热处理或服役过程当中很容易在晶界间析出第二相。这些析出物对于奥氏体不锈钢的腐蚀以及磨损性能有很大的影响。至德钢业研究了σ相对两种不锈钢的摩擦磨损性的影响，认为σ相作为硬质相分布在不锈钢中降低了不锈钢的磨损率。又研究了经过热处理后的钼铜奥氏体不锈钢的组织结构的变化及其所引起的腐蚀磨损行为的变化。结果表明，析出的大量金属间化合物相组成复杂多变，硬而脆，在奥氏体不锈钢中通过针扎作用提高其耐磨性能。浙江至德钢业有限公司技术人员研究了固溶处理对254SMO奥氏体不锈钢腐蚀性能的影响。结果表明，不同的固溶温度会导致不锈钢晶界以及晶内的铬的富集与贫化，导致不锈钢的耐腐蚀性能降低。这些研究表明硬质第二相的析出既可以提高不锈钢的耐磨性能又一定程度上降低了不锈钢的耐腐蚀性能。如果将第二相析出物对腐蚀与磨损性能的影响结合起来研究，通过适当的热处理工艺在奥氏体不锈钢中析出适当形貌和数量的析出物，从而改善奥氏体不锈钢的腐蚀磨损性能。至德钢业以310S不锈钢管为原料，探讨热处理以及酸性环境对其腐蚀磨损性能影响以及腐蚀磨损机理。

 奥氏体不锈钢之所以具有优良的耐氧化耐腐蚀性能，就是由于其含有大量的铬元素。当不锈钢暴露于酸性环境时，其表面会迅速形成一层致密的富含铬的钝化膜，从而阻止外界与材料内部的反应。至德钢业在研究奥氏体不锈钢在酸性溶液中的腐蚀行为时发现不锈生成钝化膜后的腐蚀电流和其含有的镍和铬含量有关系，当这两种元素含量高时其钝化膜的腐蚀电流会降低，说明其耐腐蚀性能有所增加。经研究推算出不锈钢的钝化后腐蚀电流密度与不锈钢本身含有的锰、铜、钼、硫、碳和铬的含量的线性关系式，表明其钝化膜的腐蚀性能与其基体成分含量密切相关。由此可推断正是回火处理导致晶界处大量的铬析出导致基体自由铬含量的降低，使得不锈钢在酸性环境中形成的钝化膜的耐腐蚀性能有所降低。此外，大量研究表明含铬析出物导致奥氏体不锈钢易发生晶间腐蚀以及应力腐蚀裂痕，这是由于回火时间的延长导致310S不锈钢管的在晶界处的含铬析出物逐渐增加并粗化，从而导致相邻的晶内出现的贫铬区，而且随着晶界析出物的增加相邻贫铬区的铬含量愈加变少。铬含量的减少使得材料的耐腐蚀性能急剧下降，尤其在晶界处。当晶界附近的铬含量降低到12%以下时，不锈钢会变得非常敏化。

 1、在硫酸溶液中，摩擦系数经过短暂的上升期后便进入了稳定阶段，并伴随着在一定范围内固定周期的波动，这主要是由于在腐蚀磨损过程中不锈钢表面的钝化膜发生分层与剥落。同时相较于去离子水环境中，由于腐蚀导致摩擦副之间生成一层易切削的摩擦层，其摩擦系数变得更小。

 2、不锈钢在硫酸溶液酸性环境中的腐蚀磨损机理由犁沟磨损和腐蚀疲劳磨损共同决定。在不锈钢的腐蚀性能少许降低时犁沟磨损起主导作用，当析出物数量增加形貌粗化导致腐蚀性能明显降低时腐蚀疲劳起主导作用。

 3、由于腐蚀磨损交互作用，不锈钢在硫酸中的磨损率有所增加，并且随着晶界析出物的增加与粗化，交互作用对磨损率的贡献明显增加。

 4、在硫酸溶液中，当310S不锈钢管的回火时间为20小时，其耐腐蚀磨损性能最佳，这是由于此时不锈钢耐腐蚀性能少许降低时耐磨性能有所提高导致整个腐蚀磨损材料流失降低。