含铜热轧301不锈钢的显微组织与腐蚀性能

张译元，肖姝凝，谭 怡，吕萧媛，金 鑫，颜行鑫，王旭元，李 娜

（辽宁科技大学，材料与冶金学院，辽宁 鞍山 114051）

单相301奥氏体不锈钢具有屈强比低、塑性加工性能良好、耐大气腐蚀等特点，因此热轧态不锈钢可以直接应用于建筑结构等材料［1］。与广泛应用的304 不锈钢相比，301 不锈钢具有较高的碳含量和较低的铬、镍含量，属于高强度钢。然而，301不锈钢在酸、碱和盐条件下的耐腐蚀性能较差［2］。

铜在重新熔炼废钢的过程中很难去除，造成铜在钢中不断积累。因此，随着废钢数量的持续增多，研究铜在钢中的作用势在必行。除含铜耐候钢和含铜抗菌不锈钢外，关于铜对钢的微观组织和性能的影响已经有很多研究［3-4］。一些实验结果表明，在不锈钢中加入适量的铜可以显著提高其在各种环境下的耐腐蚀性［5-6］。但关于铜对热轧不锈钢显微组织和耐腐蚀性影响的研究报道较少。本文在301不锈钢中加入不同含量的铜，观察热轧态含铜301不锈钢的微观组织，并对钢的电化学耐腐蚀性进行测试和分析。

1 实验材料和实验方法

将不含铜和含铜2.0%（质量分数）左右的301 ASS 进行真空熔炼，铸成直径为150 mm 的25 kg圆柱形铸锭，在1 200 ℃加热1 h 后热轧5 道次，获得厚度为12 mm的热轧钢板。实验钢成分的光谱测试结果如表1所示。

表1 301不锈钢的化学成分测试结果Tab.1 Chemical composition of 301 stainless steels

在热轧钢板上切取尺寸10 mm×10 mm×12 mm的试样。采用金相显微镜和带有能谱的扫描电子显微镜SEM-sigma500 进行微观组织观察和成分分析。

电化学腐蚀性能测试过程中，各试样经抛光后留下一个10 mm×10 mm 工作面，其余表面用环氧树脂密封。测试在带有三电极系统的Autolab电化学工作站PGSTAT302N 上进行，以Ag/AgCl/sat.KCl为参比电极，Pt为辅助电极，测试样品作为工作电极。将工作电极表面用丙酮脱脂，再用去离子水冲洗，之后放入25 ℃、pH 值为6.5～7.0 的3.5%NaCl溶液。实验过程中，对实验钢通入工作电流进行耐蚀性能测试。在达到开路电位的固定值后，以0.05 V/min的扫描速度相对Ag/AgCl参比电极从-0.8～0.6 V进行极化测试。

2 实验结果与分析

2.1 热轧态显微组织

含铜和不含铜的热轧301 不锈钢的金相显微组织如图1所示，SEM扫描照片如图2所示。不含铜钢中，沿轧制方向出现许多黑色的细长条带状析出相（箭头所指）；在含铜301 ASS-Cu钢中，条带状析出相明显变细，并且数量显著减少。同时，在301ASS 中出现了较多的位错滑移，而在301 ASSCu中发生了更多的孪晶变形。

图2 热轧态301不锈钢的SEM扫描照片Fig.2 SEM imags of hot-rolled 301 stainless steels

根据钢的组织成分、析出相形貌及前期的研究结果［5］可以判断，图1中这些带状析出相是碳化物（Fe，Cr）7C3。钢中添加铜后引起碳化物析出减少，表明由Cu引起的晶格畸变可以增加Cr和C在钢中的固溶程度，这也说明铜主要是以固溶原子形式存在于热轧态301不锈钢中。

热轧变形可以通过位错滑移和产生孪晶两种方式来协调，具体变形方式取决于钢的层错能（γSFE）［7］。在高层错能值，即γSFE≥45 mJ/m2时，塑性变形和应变硬化完全由位错滑移控制；中层错能，即18 mJ/m2≤γSFE≤45 mJ/m2时，会出现更多的孪晶以协调变形；当层错能小于18 mJ/m2时，则易于发生马氏体相变。马氏体相变通常在较低温度下进行，这也说明温度的变化会影响钢组织的层错能变化。图2 的结果表明铜的加入可以降低热轧301不锈钢的层错能。

通常认为，镍和铜可以提高室温中奥氏体不锈钢的层错能，稳定奥氏体并抑制马氏体相变［8-9］。然而，合金第一性原理计算结果证明，奥氏体不锈钢中镍对层错能的影响与温度有关，并且在高温下与在环境温度下，镍对层错能的影响结果完全相反，即镍在环境温度下提高奥氏体不锈钢的层错能，而在高温下降低其层错能［10］。本文的实验结果也证明，在热轧过程中，铜降低了301 奥氏体不锈钢的层错能，这同时说明铜在热轧301不锈钢中主要以固溶态存在。

2.2 耐腐蚀性

图3 是含铜和不含铜的301 不锈钢分别在质量分数3.5%的NaCl 溶液中腐蚀的极化曲线和阻抗图。表2 为极化曲线的拟合及计算结果。自腐蚀电流密度（Icorr）是决定耐均匀腐蚀性最重要的指标，依据自腐蚀电流密度可以计算腐蚀速率［11］

表2 实验用301不锈钢的电化学腐蚀参数Tab.2 Electrochemical corrosion parameters of 301 ASSs in tests

图3 热轧301奥氏体不锈钢的极化曲线和阻抗图Fig.3 Polarization curves and impedance diagram of hot rolled 301 ASSs

式中：v为腐蚀速率，g/（m2·h）；Icorr为自腐蚀电流密度，A/cm2；M为铁的摩尔质量，g/mol；n为金属的原子价；F为法拉第常数，C/mol。

由阻抗的实部（Z′）和虚部（Z″）构成的阻抗图中，容抗弧半径越大，其电化学阻力越大，材料的耐腐蚀性越好。

图3 中，301 ASS-Cu 的自腐蚀电流密度低于301 ASS，并且其腐蚀电位（Ecorr）向正向移动；钝化电位（Ep）和钝化电流（Ipass）都呈现相同的趋势。与此同时，301 ASS-Cu 的容抗弧半径较大。这些参数都表明，加入适量铜之后的热轧301奥氏体不锈钢的抗腐蚀能力得到提高，并且含铜301不锈钢钝化膜的保护性和稳定性得到增强，展现出更好的整体耐均匀腐蚀能力。因此，含铜的热轧301 不锈钢更不容易被腐蚀，而即使被腐蚀，其腐蚀速率也较低。

随着电位的升高，钝化膜稳定性有所降低，使得电流密度逐渐增加。两种钢的二次钝化都发生在钝化区末端，301 ASS-Cu 在钝化的各个阶段都表现出较高的耐腐蚀性。而301 ASS-Cu的点蚀电位（Eb）没有得到提高。

铬是不锈钢钝化膜中最重要的合金元素之一，直接影响钢的耐腐蚀性［12］。研究表明，在奥氏体不锈钢中加入适量的铜，有利于形成含铜的钝化膜并提高钝化膜在腐蚀过程中的稳定性，同时，铜还有利于提高钢表面富铬和富钼氧化膜的厚度和连续性［6］。富铜和富铬钝化膜的形成与铜和铬在不锈钢中的固溶程度有关，因此提高铜、铬等元素在钢中的固溶度有利于提高钢的耐腐蚀性能。

热轧态301不锈钢经过高温变形后，微观组织观察结果表明，铜和铬主要以固溶态形式存在，这提高了热轧301奥氏体不锈钢的耐腐蚀能力。

3 结 论

（1）在301不锈钢中加入质量分数1.8%的铜，热轧态实验钢中富铬碳化物的析出量明显减少，孪晶数量明显增加，说明铜主要以固溶态存在于热轧态301 不锈钢中，同时铜促进了铬、碳等元素在钢中的固溶，铜的添加降低了高温下实验钢的层错能。（2）在301奥氏体不锈钢中加入质量分数1.8%的铜，可稳定提高热轧态301不锈钢的整体耐腐蚀性能，但未能改善钢的耐点蚀能力。