徐健康１,杨震炯１,方建飞１,胡 帅１,王 会１ ２
(１．永康市质量技术监督检测中心,永康 ３２１３００;２．杭州同孚环保科技有限公司,杭州 ３１００１２)
摘 要:某企业水泵上的S３２７５０双相不锈钢六角头螺栓在使用２a(年)后发生腐蚀失效.通过宏观分析、扫描电镜及能谱分析、金相分析、力学性能试验、化学成分分析以及模拟验证试验等方法对螺栓腐蚀原因进行了分析.结果表明:螺栓失效模式为点蚀;引起螺栓点蚀的根本原因是热处理工艺不当导致螺栓显微组织中存在明显的金属间化合物σ 相,同时服役环境中存在含 Cl－ 的腐蚀性介质.
关键词:双相不锈钢;六角头螺栓;腐蚀;点蚀;σ相
中图分类号:TE９７３;TG１１５ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)０４Ｇ０２７２Ｇ０６
双相不锈钢综合了铁素体不锈钢和奥氏体不锈钢的性能特点,具有优异的耐腐蚀性能以及良好的综合力学 性 能,在 各 个 领 域 得 到 了 较 为 广 泛 的 应用[１].某企业水泵运行２a(年)后发现有螺栓发生了腐蚀失效,螺栓材料为 S３２７５０双相不锈钢,最终热处理状态为固溶处理.为查明该螺栓腐蚀失效的原因,避免类似失效模式的再次发生,笔者对其进行了检验和分析.
１ 理化检验
１．１ 宏观分析
S３２７５０不锈钢六角头螺栓宏观形貌如图１所示,其中腐蚀失效螺栓宏观形貌如图２所示,可见距螺栓末端约１３扣螺纹范围内存在明显的腐蚀现象,其中前８扣螺纹腐蚀严重,局部残留金属直径仅约为原始直径的１/２,后５扣螺纹腐蚀轻微,螺纹轮廓依旧完整,其余螺纹及头部未发现明显的腐蚀痕迹.图３所示为与失效螺栓相配合螺母的宏观形貌,可
见螺母内螺纹外形基本完整,可见个别点状腐蚀坑.图４所示为失效螺栓腐蚀较轻区域表面低倍形貌,可见螺纹牙底存在直径为０．５~２mm 的腐蚀坑,腐蚀坑周围可见大量的麻点状腐蚀缺陷.图５所示为失效螺栓腐蚀严重区域的表面形貌,以下将分为 A,B,C三个区域进行描述.
图１ 螺栓宏观形貌
Fig.１ Themacroscopicappearanceofthebolts
１．２ 扫描电镜及能谱分析
图６所示为图５中腐蚀 A 区微观形貌,可见表面存在明显的覆盖物,未发现典型的断口学特征.图７所示为 A 区能谱(EDS)分析结果,可见该区域除基体元素外还存在大量的氧元素,及少量的硫、氯、钙、钾、镁、铝等元素.
图８所示为 B区微观形貌,可见长条状晶粒结 构.图９所示为 B区能谱分析结果,可见该区域除 基体元素外还存在一定含量的氧元素,及少量的硫、氯、钾、镁、铝等元素.图１０所示为 C 区微观形貌,可见长条状晶粒结构.图１１所示为 C 区能谱分析结果,可见该区域除基体元素外还存在一定含量的氧元素,及少量的硫、氯、钾、钙、铝等元素.
图８ 断面 B区微观形貌
Fig.８ ThemicroscopicappearanceoffracturesectionA
１．３ 金相分析
图１２所示为失效螺栓完好螺纹显微组织形貌,未发现明显的折叠、裂纹等不连续性缺陷.图１３和图１４所示分别为失效螺栓与完好螺栓非金属夹杂物形貌,根据 GB/T１０５６１－２００５[２]规定,判 定 失 效 螺 栓 为 C 类 硅 酸 盐 夹 杂 物 (细 系)１．５级,C类硅酸盐夹杂物(粗系)１级,D 类球状氧化物夹杂物(细系)０．５级;完好螺栓为 D 类球状氧化物夹杂物(细系)１级,D 类球状氧化物夹杂物(粗系)０．５级.
经淡王水浸蚀后,失效螺栓腐蚀区域显微组织形貌如图１５所示,可见腐蚀优先沿相界面扩展.经电解浸蚀后,失效螺栓基体纵截面显微组织形貌如图１６所示,经计算得铁素体含量约为４５．６％(体积分数,下同),并可见相界面与铁素体晶界处存在明显的黑色σ相.经电解浸蚀后,完好螺栓纵截面显微组织形貌如图１７所示,经计算得铁素体含量约为５０．１％,未发现明显的黑色σ相.
经电解浸蚀后,配套螺母横截面显微组织形貌如图１８所示,经计算得铁素体含量约为４４．６％,未发现明显的黑色σ相.
１．４ 力学性能试验
对完好螺栓进行力学性能试验,结果如表１所示,可见所有指标均满足相关标准对 S３２７５０ 不锈钢的技术要求.
１．５ 化学成分分析
对失效螺栓及配套螺母进行化学成分分析,结果如表２所示,符合委托方提供的关于S３２７５０双相不锈钢的化学成分要求.
１．６ 模拟验证试验
在完好螺栓上截取相同规格(５０mm×２５mm×４mm)的两块试样,分别标记为１号和２号.两块试样分别模拟不同温度的固溶处理,并进行了不同温 度７２h的 三 氯 化 铁 点 腐 蚀 试 验 ,结 果 如 表３所示.可见S３２７５０不锈钢１０５０ ℃固溶处理试样的耐三氯化铁点腐蚀性能显著优于９５０℃固溶处理试样的.
图１９所示为９５０ ℃固溶处理试样基体显微组织形貌,铁素体含量为５１．４％,相界面处存在明显的黑色σ相.图２０所示为１０５０ ℃固溶处理试样基体显微组织形貌,铁素体含量为５０．６％,未发现明显的黑色σ相.
以上试 验 结 果 说 明:相 比 １０５０℃ 固 溶 处 理,９５０ ℃固溶处理更易产生σ 相;双相不锈钢产生σ相后其耐三氯化铁点腐蚀性能将显著下降.
２ 综合分析
失效螺栓表面形貌显示,腐蚀区域集中于距螺栓末端约１３扣螺纹范围内,其余螺纹及头部均未发现明显的腐蚀痕迹,说明螺栓服役过程中距末端约１３扣螺纹长度部分与腐蚀介质接触,其余螺纹及头部均与腐蚀介质隔绝.腐蚀严重的区域残留金属直径仅约为原始直径的１/２,腐蚀过程中存在大量金属损失的现象;腐蚀轻微的区域可见明显的宏观腐蚀坑形貌,螺栓宏观腐蚀坑周围存在大量的麻点状腐蚀坑,螺栓宏观腐蚀形貌符合点蚀特征.扫描电镜形貌分析结果显示,腐蚀严重的区域及螺纹牙底腐蚀坑均可见长条状晶粒结构,腐蚀区域显微组织可见腐蚀优先沿相界面发生,扫描电镜形貌与金相组织特征相吻合.沿相界面优先腐蚀符合双相不锈钢点蚀的显著特征,因此判断螺栓失效模式为点蚀.奥氏体不锈钢在不同的腐蚀介质体系中会发生不同的腐蚀失效形式,而其中以局部腐蚀失效最为严重.奥氏体不锈钢的局部腐蚀失效形式主要有点蚀、缝隙腐蚀、晶间腐蚀、应力腐蚀开裂等[３Ｇ６].一般来说,发生点蚀必须具备的条件是:①敏感的材料,
如易钝化材料或表面有钝化膜的材料;②含有腐蚀性离 子 的 介 质,如 卤 素 离 子,特 别 是 常 见 的 Cl－ ;③具备一定的氧化性条件,如介质中含有一定量的氧[７Ｇ８].能谱分析结果显示,螺栓腐蚀区域存在大量的氧元素,以及少量的硫、氯、钾、钙、铝、镁等元素,说明螺栓接触的介质中含有溶解氧与硫化物、氯化物等盐类物质.
金相分析结果显示,失效螺栓显微组织中存在明显的σ相,该有害相为 FeＧCrＧMo金属间化合物,配套螺母及完好螺栓显微组织中均未发现明显的σ相.当双相不锈钢在低于１０００℃加热时σ相由铁素体中析出,σ相的析出导致相邻基体铬元素贫化,耐腐蚀性能降低,这与模拟不同温度固溶处理后试样耐腐蚀性能的试验结果相吻合.金属间化合物质点通常成为点蚀成核处[９],含σ 相的双相不锈钢存在明显的选择性腐蚀特征,在电化学腐蚀过程中,σ相最先溶解,其次是周围的贫铬区,之后为铁素体相,最后为初次奥氏体相及二次奥氏体相.σ相不仅降低了材料的耐点蚀性和钝化膜稳定性,同时也改变了材料电化学腐蚀后的形貌,随着σ 相析出量的逐渐增多,腐蚀形貌从半球形变为口小腔大、内部破坏严重的形貌,再后逐渐转变为宽浅状的腐蚀形貌[１０],这与失效螺栓腐蚀形貌相吻合.
３ 结论及建议
该S３２７５０双相不锈钢六角头螺栓失效模式为点蚀;引起螺栓点蚀的根本原因是热处理工艺不当,导致螺 栓 显 微 组 织 中 存 在 明 显 的 金 属 间 化 合 物σ相,同时服役环境中存在含有 Cl－ 的腐蚀性介质.建议双相不锈钢紧固件成品在投入使用前应进行耐点蚀试验和有害相金属间化合物检验.