含銅熱軋301不銹鋼的顯微組織與腐蝕性能

張譯元，肖姝凝，譚 怡，呂蕭媛，金 鑫，顏行鑫，王旭元，李 娜

（遼寧科技大學，材料與冶金學院，遼寧 鞍山 114051）

單相301奧氏體不銹鋼具有屈強比低、塑性加工性能良好、耐大氣腐蝕等特點，因此熱軋態不銹鋼可以直接應用于建筑結構等材料［1］。與廣泛應用的304 不銹鋼相比，301 不銹鋼具有較高的碳含量和較低的鉻、鎳含量，屬于高強度鋼。然而，301不銹鋼在酸、堿和鹽條件下的耐腐蝕性能較差［2］。

銅在重新熔煉廢鋼的過程中很難去除，造成銅在鋼中不斷積累。因此，隨著廢鋼數量的持續增多，研究銅在鋼中的作用勢在必行。除含銅耐候鋼和含銅抗菌不銹鋼外，關于銅對鋼的微觀組織和性能的影響已經有很多研究［3-4］。一些實驗結果表明，在不銹鋼中加入適量的銅可以顯著提高其在各種環境下的耐腐蝕性［5-6］。但關于銅對熱軋不銹鋼顯微組織和耐腐蝕性影響的研究報道較少。本文在301不銹鋼中加入不同含量的銅，觀察熱軋態含銅301不銹鋼的微觀組織，并對鋼的電化學耐腐蝕性進行測試和分析。

1 實驗材料和實驗方法

將不含銅和含銅2.0%（質量分數）左右的301 ASS 進行真空熔煉，鑄成直徑為150 mm 的25 kg圓柱形鑄錠，在1 200 ℃加熱1 h 后熱軋5 道次，獲得厚度為12 mm的熱軋鋼板。實驗鋼成分的光譜測試結果如表1所示。

表1 301不銹鋼的化學成分測試結果Tab.1 Chemical composition of 301 stainless steels

在熱軋鋼板上切取尺寸10 mm×10 mm×12 mm的試樣。采用金相顯微鏡和帶有能譜的掃描電子顯微鏡SEM-sigma500 進行微觀組織觀察和成分分析。

電化學腐蝕性能測試過程中，各試樣經拋光后留下一個10 mm×10 mm 工作面，其余表面用環氧樹脂密封。測試在帶有三電極系統的Autolab電化學工作站PGSTAT302N 上進行，以Ag/AgCl/sat.KCl為參比電極，Pt為輔助電極，測試樣品作為工作電極。將工作電極表面用丙酮脫脂，再用去離子水沖洗，之后放入25 ℃、pH 值為6.5～7.0 的3.5%NaCl溶液。實驗過程中，對實驗鋼通入工作電流進行耐蝕性能測試。在達到開路電位的固定值后，以0.05 V/min的掃描速度相對Ag/AgCl參比電極從-0.8～0.6 V進行極化測試。

2 實驗結果與分析

2.1 熱軋態顯微組織

含銅和不含銅的熱軋301 不銹鋼的金相顯微組織如圖1所示，SEM掃描照片如圖2所示。不含銅鋼中，沿軋制方向出現許多黑色的細長條帶狀析出相（箭頭所指）；在含銅301 ASS-Cu鋼中，條帶狀析出相明顯變細，并且數量顯著減少。同時，在301ASS 中出現了較多的位錯滑移，而在301 ASSCu中發生了更多的孿晶變形。

圖2 熱軋態301不銹鋼的SEM掃描照片Fig.2 SEM imags of hot-rolled 301 stainless steels

根據鋼的組織成分、析出相形貌及前期的研究結果［5］可以判斷，圖1中這些帶狀析出相是碳化物（Fe，Cr）7C3。鋼中添加銅后引起碳化物析出減少，表明由Cu引起的晶格畸變可以增加Cr和C在鋼中的固溶程度，這也說明銅主要是以固溶原子形式存在于熱軋態301不銹鋼中。

熱軋變形可以通過位錯滑移和產生孿晶兩種方式來協調，具體變形方式取決于鋼的層錯能（γSFE）［7］。在高層錯能值，即γSFE≥45 mJ/m2時，塑性變形和應變硬化完全由位錯滑移控制；中層錯能，即18 mJ/m2≤γSFE≤45 mJ/m2時，會出現更多的孿晶以協調變形；當層錯能小于18 mJ/m2時，則易于發生馬氏體相變。馬氏體相變通常在較低溫度下進行，這也說明溫度的變化會影響鋼組織的層錯能變化。圖2 的結果表明銅的加入可以降低熱軋301不銹鋼的層錯能。

通常認為，鎳和銅可以提高室溫中奧氏體不銹鋼的層錯能，穩定奧氏體并抑制馬氏體相變［8-9］。然而，合金第一性原理計算結果證明，奧氏體不銹鋼中鎳對層錯能的影響與溫度有關，并且在高溫下與在環境溫度下，鎳對層錯能的影響結果完全相反，即鎳在環境溫度下提高奧氏體不銹鋼的層錯能，而在高溫下降低其層錯能［10］。本文的實驗結果也證明，在熱軋過程中，銅降低了301 奧氏體不銹鋼的層錯能，這同時說明銅在熱軋301不銹鋼中主要以固溶態存在。

2.2 耐腐蝕性

圖3 是含銅和不含銅的301 不銹鋼分別在質量分數3.5%的NaCl 溶液中腐蝕的極化曲線和阻抗圖。表2 為極化曲線的擬合及計算結果。自腐蝕電流密度（Icorr）是決定耐均勻腐蝕性最重要的指標，依據自腐蝕電流密度可以計算腐蝕速率［11］

表2 實驗用301不銹鋼的電化學腐蝕參數Tab.2 Electrochemical corrosion parameters of 301 ASSs in tests

圖3 熱軋301奧氏體不銹鋼的極化曲線和阻抗圖Fig.3 Polarization curves and impedance diagram of hot rolled 301 ASSs

式中：v為腐蝕速率，g/（m2·h）；Icorr為自腐蝕電流密度，A/cm2；M為鐵的摩爾質量，g/mol；n為金屬的原子價；F為法拉第常數，C/mol。

由阻抗的實部（Z′）和虛部（Z″）構成的阻抗圖中，容抗弧半徑越大，其電化學阻力越大，材料的耐腐蝕性越好。

圖3 中，301 ASS-Cu 的自腐蝕電流密度低于301 ASS，并且其腐蝕電位（Ecorr）向正向移動；鈍化電位（Ep）和鈍化電流（Ipass）都呈現相同的趨勢。與此同時，301 ASS-Cu 的容抗弧半徑較大。這些參數都表明，加入適量銅之后的熱軋301奧氏體不銹鋼的抗腐蝕能力得到提高，并且含銅301不銹鋼鈍化膜的保護性和穩定性得到增強，展現出更好的整體耐均勻腐蝕能力。因此，含銅的熱軋301 不銹鋼更不容易被腐蝕，而即使被腐蝕，其腐蝕速率也較低。

隨著電位的升高，鈍化膜穩定性有所降低，使得電流密度逐漸增加。兩種鋼的二次鈍化都發生在鈍化區末端，301 ASS-Cu 在鈍化的各個階段都表現出較高的耐腐蝕性。而301 ASS-Cu的點蝕電位（Eb）沒有得到提高。

鉻是不銹鋼鈍化膜中最重要的合金元素之一，直接影響鋼的耐腐蝕性［12］。研究表明，在奧氏體不銹鋼中加入適量的銅，有利于形成含銅的鈍化膜并提高鈍化膜在腐蝕過程中的穩定性，同時，銅還有利于提高鋼表面富鉻和富鉬氧化膜的厚度和連續性［6］。富銅和富鉻鈍化膜的形成與銅和鉻在不銹鋼中的固溶程度有關，因此提高銅、鉻等元素在鋼中的固溶度有利于提高鋼的耐腐蝕性能。

熱軋態301不銹鋼經過高溫變形后，微觀組織觀察結果表明，銅和鉻主要以固溶態形式存在，這提高了熱軋301奧氏體不銹鋼的耐腐蝕能力。

3 結 論

（1）在301不銹鋼中加入質量分數1.8%的銅，熱軋態實驗鋼中富鉻碳化物的析出量明顯減少，孿晶數量明顯增加，說明銅主要以固溶態存在于熱軋態301 不銹鋼中，同時銅促進了鉻、碳等元素在鋼中的固溶，銅的添加降低了高溫下實驗鋼的層錯能。（2）在301奧氏體不銹鋼中加入質量分數1.8%的銅，可穩定提高熱軋態301不銹鋼的整體耐腐蝕性能，但未能改善鋼的耐點蝕能力。