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不锈钢中马氏体组织的原始奥氏体晶粒度显示方法
2026-01-154

     为了同时得到较高的强度和较好的韧性,需要对马氏体不锈钢和马氏体型沉淀硬化型不锈钢进行固溶处理得到马氏体组织,因其操作过程与碳钢、合金钢的淬火相似,又称为“固溶淬火”,简称淬火工艺。其原理是将不锈钢加热到奥氏体单相区恒温保持一段时间,使其中的第二相充分溶解到奥氏体中后快速冷却,以得到过饱和固溶体的热处理工艺。为了在起到细晶强化作用的同时又避免出现过烧过热情况,必须通过控制固溶保温温度以控制奥氏体晶粒尺寸。因此,在材料冷却转变到室温后显示和测量原始奥氏体晶粒尺寸则成为先决条件。

      显示原始奥氏体晶粒度的原理:在材料奥氏体化后快速冷却过程中,马氏体组织会在奥氏体晶界上形核并在奥氏体晶内爆发式增长形成,因此原奥氏体晶界上的成分偏析、位错等缺陷(马氏体组织的形核质点)会使得晶界与晶内的组织具有一定的差异性,这种差异性带来的是晶界和晶内电极电位的不同,可以通过合适的方法进行选择性腐蚀,以显示出原始奥氏体晶粒度。对于碳钢和合金钢,多采用将样品放入加热至80 ℃的苦味酸+ 缓蚀剂(十二烷基苯磺酸钠、洗洁精、洗头膏等)水溶液中腐蚀约1min就可以显示出原始奥氏体晶粒度。陈超对该试剂进行了优化,使之更适合45钢和20CrMoH钢调质态下的奥氏体晶粒度显示。尹衍成等采用三氯化铁溶液(5g三氯化铁+5滴盐酸+100mL 水)清晰显示了亚共析钢C72D2 奥氏体晶粒度。金涛等研究了氧化法检验SiCr系弹簧钢热处理钢丝奥氏体晶粒度的方法。谷秀锐等的研究表明,4%硝酸酒精溶液对18Ni马氏体时效钢原始奥氏体晶粒度有较好的显示作用。但化学腐蚀方法腐蚀不锈钢难度较高,马氏体不锈钢和马氏体型沉淀硬化型不锈钢原始奥氏体晶粒度的显示一直是研究难点。本文在采用化学腐蚀法显示原始奥氏体晶粒度研究的基础上,采用电解腐蚀的方法,利用自制电解抛光设备,通过选择合适的电解参数,显示出马氏体不锈钢和马氏体型沉淀硬化型不锈钢的奥氏体晶粒度。

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试验部分


1.1 试验设备

    考虑商业化的电解抛光设备设计均为样品的腐蚀面朝下,不能在电解过程中观察电解面的抛光腐蚀情况,本文自制电解抛光设备以解决此问题。试验设备由直流电源(电压在0~30V范围内可调,最大电流3A)、250mL 烧杯、420材质的不锈钢样品夹及304不锈钢钢板(阴极)组成。阴极不锈钢板表面光滑,无明显损伤,并建议采用图1所示形状和尺寸,多次试验表明该形状和尺寸的阴极可以较好的匹配在实验室常用的250mL和500 mL烧杯,1200 mm^2的电极面积完全满足试验的需求,实验室使用多年,并未出现电解效果不佳的情况。

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1.2 电解液

    基础电解液:由30%~50%(体积分数)去离子水和50%~70%(体积分数)硝酸(分析纯或者化学纯)混合配制而成;电解液:每100mL基础电解液中添加3~8mL 磷酸(分析纯或者化学纯)、1~5mL 硫酸(分析纯或者化学纯)混合配制得到。根据不锈钢材质的差异,基础电解液和电解液均需适当调整各成分的含量。

1.3 试验样品的组织形貌

     试验用材料为经过固溶淬火处理的07Cr16Ni6钢和0Cr17Ni14Cu4Nb钢,两个材料的基体组织经过王水腐蚀5s,采用金相显微镜进行观察,结果见图2。由图2可见,07Cr16Ni6钢的基体组织全部为马氏体,0Cr17Ni14Cu4Nb钢的组织为马氏体+ 条带状的高温铁素体。

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1.4 试验方法

1.4.1 试样预处理

    试验样品被切割成25mm ×10mm ×15mm的长方体,将25mm ×10mm 的面制备成金相抛光面,制样流程与一般金相试样制备无异,经过倒角→粗磨→精磨→2.5μm 抛光剂粗抛光后,需进一步使用0.5mm 金刚石抛光剂和无水乙醇作为润滑剂进行精抛处理,抛光完成后,试样表面无肉眼可见划痕。

1.4.2 07Cr16Ni6钢试样的电解腐蚀

     按照去离子水和硝酸体积比1:1配制200mL基础电解液,混合均匀后置于250mL烧杯中,得到电解液。按照图3所示的方式连接腐蚀设备,阴极浸泡在电解液中的面积约2000 mm^2 (正反面),设置电解电压为4.5V,电解时间为15s,采用100mL水+100mL 硝酸+6mL 磷酸+3mL 硫酸电解液和304不锈钢阴极进行电解腐蚀操作。

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1.4.3 0Cr17Ni14Cu4Nb钢试样的电解腐蚀

    按照1.4.2 中的试验方法,固定其他试验条件,采用100mL 水+100mL 硝酸+8mL 磷酸+3mL硫酸电解液和304不锈钢阴极,在0.5V 电解电压条件下电解40s,进行电解腐蚀操作。

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结果与讨论

2.1 电解电压
    选择07Cr16Ni6 钢试样,设置电解电压为0.5V,每0.5V逐级增加电解电压至4.5V,其他参照试验方法1.4.2进行电解腐蚀操作。结果表明,在电解电压为0.5~4.0V 范围内,试样基本无反应,表面无腐蚀应有的气泡冒出;电解电压达到4.5V时,电解腐蚀面气体溢出速度突然增加。整个烧杯液面出现大量白色气泡。因此选定电解电压为4.5V。
   参照上述方法对07Cr16Ni6钢试样的电解电压进行优化,确定0Cr17Ni14Cu4Nb钢试样电解腐蚀的电压为0.5V。
2.2 磷酸用量
    气泡突然增加会导致过腐蚀现象发生,试样表面会出现不均匀的腐蚀颜色(灰白色为主),此时需要增加磷酸和硫酸等试剂以增加电解液黏度,减缓电解腐蚀的速度。选择07Cr16Ni6钢试样,参照试验方法1.4.2,固定其他试验条件,考察了磷酸用量为2~8mL 时对试验结果的影响。结果表明,磷酸用量为2~6mL,电解过程较为均匀缓慢,气泡的产生和上浮较为均匀;磷酸用量为8mL及以上时,电解腐蚀面会出现麻点缺陷,这种现象与电解液黏度较大有关,腐蚀产生的气泡尺寸偏大且难于上浮。因此试验确定电解液中磷酸用量为6mL。
      参照上述方法对07Cr16Ni6钢试样电解腐蚀时的磷酸用量进行优化,最终确定电解液中磷酸用量为8mL。
2.3 试验结果
    按照1.4实验方法中所述流程对07Cr16Ni6钢和0Cr17Ni14Cu4Nb钢试样进行电解腐蚀处理后,用金相显微镜进行观察,得到金相组织图,见图4。
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     由图4(a)可见,经电解腐蚀后,07Cr16Ni6马氏体不锈钢的金相组织除了能清晰显示原始奥氏体晶粒度外,还同时显示了基体中的马氏体组织(奥氏体晶界内部的灰黑色部分),但对比图2(a),图4(a)中马氏体组织的显示受到了抑制,并不能清晰的观察到马氏体的细节。

      由图4(b)可见,马氏体组织部分呈亮白色,高温铁素体腐蚀部分呈黑色,原始奥氏体晶粒较为明显,说明经电解腐蚀后,0Cr17Ni14Cu4Nb沉淀硬化型不锈钢金相组织中马氏体组织的显示被完全抑制了。

2.4 制备过程注意事项

     由于电解抛光、腐蚀的资料较少,操作前除了需遵从相关资料的一般性原则,还需遵循以下注意事项以及化学品安全使用事项。电解腐蚀前需对样品进行抛光预处理,抛光的效果直接影响样品检验面电解时的均匀性。建议抛光过程结束前,在抛光盘中加入少量无水乙醇再次进行3~5s 的短时抛光,这样会大大提高抛光面的质量。

     电解用的直流电源是电压源,而非电流源。样品的电解腐蚀面积增加时,电压保持稳定,但电流会逐渐增加至电源的最大电流值。如果此时电解腐蚀的面积继续增加,电流会固定为电源最大电流值不变,但电压会快速降低,同时电解面上会出现不可逆转的腐蚀坑缺陷。可通过更换大功率电源或缩小样品的电解腐蚀面积这两种方法来避免腐蚀坑的出现。

     为了得到较好的电解效果,一般需要多次尝试各种试验参数,调整的顺序依次为:电解电压、电解时间、磷酸用量、硫酸用量。

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结论

      基于化学腐蚀方法显示不锈钢中原始奥氏体晶粒度的难度较高,本文提出了采用电解腐蚀的方式显示基体为马氏体组织的不锈钢中原始奥氏体晶粒度的方法。试验表明, 对于07Cr16Ni6钢, 采用100mL水+100mL硝酸+ 6mL 磷酸+3mL硫酸电解液和304不锈钢阴极,在4.5V 电解电压条件下电解15s,可以清晰显示其原始奥氏体晶粒度。对于0Cr17Ni14Cu4Nb钢,采用100mL水+100mL硝酸+8mL磷酸+3 mL 硫酸电解液和304不锈钢阴极,在0.5V电解电压条件下电解40s,可以清晰显示其原始奥氏体晶粒度。

     由于马氏体组织的不锈钢种类较多,本文仅就两种材料做了一些开拓性的研究,希望能提供一个思路方向,以起到抛砖引玉的作用。


来源:成都冶金实验厂有限公司

编辑:朱光明  校对:孙超  审核:吕东显 
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