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    不锈钢腐蚀机理解析

    2019-04-24   来源:   点击数:0次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港专题报道:不锈钢里微小的硫化锰高浓度区域能导致不锈钢锈蚀。不锈钢是铁、铬和镍的合金,最早出现在20世纪初。由于不锈钢具有优异的抗腐蚀特性,因而它常常被用在恶劣的工作环境下,或者用来制造餐具和医疗用具。
      
      无磁钻铤是现代油气资源开采随钻测量技术中最为重要的井下部件之一,其服役环境对其制备材料的强度、韧性和硬度等都有非常高的指标要求。近几十年来,随着N合金化奥氏体不锈钢的冶炼和制备技术的发展,这种材料逐渐取代传统的300系不锈钢、Monel合金等材料成为高性能无磁钻铤的首要候选材料。在Cr-Mn-N不锈钢无磁钻铤的工业化生产过程中,铸造态钢锭一般均需要经过快锻机开坯和径锻机终锻成型两步,从而得到符合尺寸规格要求的粗加工锻坯产品。然而由于锻件尺寸较大,其内部不同部位在热变形过程中的温度场、应力场状态都有较大差异,导致锻件不同部位的微观组织和力学性能均存在一定差异。因此,对无磁钻铤用0Cr20Mn21Ni2N奥氏体不锈钢锻件内部不同部位的微观形貌和力学性能进行了研究。
      
      采用热力学软件Thermal-Calc对不同N含量的试验钢成分体系和平衡态相图进行了理论计算。在此基础上,通过加压熔炼的方法制备了N含量为0.62%的质量约48.5kg的试验钢铸锭(表1)。熔炼过程中通过N合金的适量加入来控制终点N含量,试验钢经充分脱氧,出炉时将浇铸温度控制在较低水平以避免铸态组织柱状晶过于粗大。铸锭去除表面氧化皮后经过锻造开坯加工成60mm×60mm的方坯,后在980℃下锻造为Φ46mm的圆棒,终锻变形量约为15.4%(表2)。根据前期研究工作的结果,锻造的温度范围规避了有害中间相可能产生的敏感温度区间,确保了锻造过程的顺利完成和较高的锻造成材率,同时保证了较为理想的形变强化效果。
      
      试验钢的化学成分(质量分数,%)
      
      Cr
      
      Mn
      
      Ni
      
      S
      
      O
      
      P
      
      C
      
      N
      
      19.9
      
      21.1
      
      2.15
      
      0.04
      
      0.62
      
      锻造过程主要工艺参数
      
      锻造加热温度和时间
      
      锻造变形量(%)
      
      锻造开始温度/℃
      
      终锻温度/℃
      
      1130~1150℃,
      
      15.4
      
      1080
      
      980
      
      中国钢管信息港专题报道:研究了无磁钻铤用0Cr20Mn21Ni2N奥氏体不锈钢圆棒锻件横截面的室温强度、硬度和韧性等力学性能,并从微观角度进行分析。在圆棒表层区域观察到了锻造变形态晶粒组织,而直径四分之一区域为再结晶组织,平均晶粒尺寸为80μm,芯部再结晶晶粒粗化为150μm,这些差异由不同的变形温度和降温速度造成的。这种组织差异导致的室温拉伸性能和冲击韧性也有相应的变化趋势。研究结果表明,在900、1000℃以0.5s-1的应变速率下压缩的0Cr20Mn21Ni2N试验钢样品,其应力曲线具有一定的加工硬化特征,其芯部硬度比应变速率为0.1s-1的样品分别提升了28、15HB。在700、800℃以20%以上的变形量进行压缩时,峰值抗力显著提高,而在900、1000℃以10%~50%的变形量进行压缩时,峰值抗力均无明显提高,可保证顺利的变形过程。
      
      不锈钢的腐蚀速率非常之慢,在理想情况下每100万年才能腐蚀1厘米。但是在实际应用中,腐蚀往往在某处产生和扩大,最终导致整块不锈钢的腐蚀。
      
      此前有很多理论认为不锈钢中的杂质导致了腐蚀,但是对于腐蚀发生的具体机制还不很清楚。在最新一期的英国《自然》杂志上,一个英国研究小组报告了他们对于不锈钢腐蚀过程的研究成果。他们发现不锈钢中微小的硫化锰高浓度区域是导致不锈钢腐蚀的元凶。
      
      腐蚀发生处并不是随机的,它们总是产生在小块硫化锰周围几百纳米的区域。科学家的研究表明,在不锈钢制造过程中,硫化锰在局部产生高浓度的聚集,导致在其周围区域中铬元素浓度的降低。铬元素和氧气反应产生铬的氧化物能够起到防止腐蚀的作用。低浓度的铬区域最先产生腐蚀,然后腐蚀会逐步扩大到整块不锈钢。在含有盐的水中,这个过程会变得更加迅速。
      
      造成不锈钢腐蚀的原因被研究了20来年,研究成果集聚了不知多少人的汗水,这一成果也将有助于改善不锈钢的性能。中国钢管信息港专题报道
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