双相不锈钢磨损腐蚀的研究摘要：本文介绍了双相不锈钢磨损腐蚀的机理与研究磨损腐蚀的方法，综述了形变强化、第二相强化、热处理及微量元素合金化等强化双相不锈钢耐磨损腐蚀性能的途径。

这对指导双相不锈钢的材料设计、性能研究起到一定的指导作用。

关键词：双相不锈钢磨损腐蚀形变强化第二相强化热处理the Research on Erosion-corrosion Resistance of theDuplex Stainless SteelAbstract: The mechanism of erosion-corrosion of duplex stainless steel and the way to avoid erosion-corrosion is introduced . The ways to improve the erosion -corrosion resistance of duplex stainless steel such as stain hardening，secondary phase strengthening，heat treatment as well as minimelement alloying are summarized in this paper, to providea guidance for materials design and performance study duplex stainless steel.Keywords: Duplex stainless steel; Erosion-corrosion; Strain hardening; Secondary phase strengthening; Heat treatment1 前言双相钢又称复相钢，一般是由马氏体或奥氏体与铁素体基体两相组织构成的钢。

通常将铁素体与奥氏体相组织组成的钢称为双相不锈钢，将铁素体与马氏体相组织组成的钢称为双相钢。

双相不锈钢的发展与应用开始于二十世纪30年代，至今经过三代的完善。

国外的双相不锈钢从生产、加工制造及应用来看，已经在一些用途上取代了普通的奥氏体不锈钢。

双相不锈钢是钢铁组织复合化的典型代表，它将奥氏体不锈钢所具有的优良韧性和焊接性与铁素体不锈钢所具有的较高强度和耐氯化物应力腐蚀性能结合在一起，从而具有以下独特的特点[1]：（1）在低应力下有良好的耐氯化物应力腐蚀性能。

一般18-8型奥氏体不锈钢在60°C以上中性氯化物溶液中容易发生应力腐蚀断裂。

在微量氯化物及硫化氢工业介质中用这类不锈钢制造的热交换器、蒸发器等设备都存在着产生应力腐蚀断裂的倾向，而双相不锈钢却有良好的抵抗能力。

（2）有良好的耐孔蚀性能。

在具有相同的孔蚀抗力当量值时，双相不锈钢与奥氏体不锈钢的临界孔蚀电位相仿，耐孔蚀性能与AISI316L相当。

含25%Cr尤其是含氮的高铬双相不锈钢的耐孔蚀和缝隙腐蚀性能超过了AISI316L。

（3）具有良好的耐腐蚀疲劳和磨损腐蚀性能。

在某些腐蚀介质的条件下，适用于制作泵、阀等动力设备。

（4）综合力学性能好，有较高的强度和疲劳强度。

屈服强度是18-8型奥氏体不锈钢的2倍。

固溶态的延伸率达到25%，韧性值AK（V型槽口）在100J以上。

（5）可焊性良好，热裂倾向小。

一般焊前不需预热，焊后不需热处理，可与18-8型奥氏体不锈钢或碳钢等异种焊接。

基于这些优异的性能，双相不锈钢钢被广泛应用在炼油、石化、造纸和化肥等工业领域中，成为管道的弯头、三通及泵叶轮、阀、搅拌器、热交换器等设备的过流部件优选材料[2]。

目前国内外对双相不锈钢在不同介质条件下的磨损腐蚀行为已有很多报道，研究双相不锈钢磨损腐蚀的机理以及提高其耐磨蚀性能已经成为研究的重点。

2 双相不锈钢磨损腐蚀的机理腐蚀磨损是指摩擦副对偶表面在相对滑动过程中，表面材料与周围介质发生化学或电化学反应，并伴随机械作用而引起的材料损失现象。

腐蚀磨损通常是一种轻微磨损，但在一定条件下也可能转变为严重磨损。

常见的腐蚀磨损有氧化磨损和特殊介质腐蚀磨损[3]。

1. 氧化磨损除金、铂等少数金属外，大多数金属表面都被氧化膜覆盖着。

纯净金属瞬间与空气中的氧起反应生成单分子层的氧化膜，且膜的厚度逐渐增长，增长的速度随时间以指数规律减小。

当形成的氧化膜被磨掉以后，又很快形成新的氧化膜，可见氧化磨损是由氧化和机械磨损两个作用相继进行的过程。

同时应指出的是，一般情况下氧化膜能使金属表面免于粘着，氧化磨损一般要比粘着磨损缓慢，因而可以说氧化磨损能起到保护摩擦副的作用。

2. 特殊介质腐蚀磨损金属与酸、碱、盐等特殊介质发生化学腐蚀的情况下而产生的磨损，称为特殊介质腐蚀磨损，其磨损机理与氧化磨损相似，但磨损率较大，磨损痕迹较深。

金属表面也可能与某些特殊介质起作用而生成耐磨性较好的保护膜。

双相不锈钢的磨损腐蚀是涉及材料学、腐蚀电化学、流体力学和传递过程等多学科交叉的一个研究领域，腐蚀过程十分复杂，影响因素多，从机理上看磨损腐蚀是在流动条件下机械和电化学共同作用于材料的结果[2]。

双相不锈钢优秀的耐磨损腐蚀性能是其优异的耐腐蚀性、较高的力学性能，特别是形变强化能力的综合体现[3]。

双相不锈钢中低Ni的γ相由于磨损变形而使位错增殖，氮、碳化合物钉扎位错形成高密度位错网络的胞状结构，使磨损面硬度大幅度提高，从而提高耐腐蚀磨损性能[4]。

此外双相不锈钢良好的力学性能也是它具有优秀的抗磨损腐蚀性能的重要原因，由于其强度较高，晶格在相同应力下难以产生较大的滑移，因此表面膜不易破裂。

同时第二相的存在也阻碍了裂纹的扩展，提高了抗磨损腐蚀性能[5]。

在受到液流或固体颗粒冲击时，塑性较好的奥氏体还会发生马氏体相变，吸收了部分能量，减少钝化膜的破坏，减缓了磨损腐蚀的发生[6]。

双相不锈钢的磨损腐蚀不是冲刷作用与腐蚀作用的简单叠加，但两种损伤哪一种占据主导作用，因磨损腐蚀研究不完善以及试验方法不同还存在争议[7]。

目前腐蚀磨损的研究工作主要集中在各种参数的影响规律、磨损与腐蚀交互作用和冲刷腐蚀磨损控制方法上。

现已提出的许多种磨损机理，其中影响较大的有切削磨损机理、变形磨损机理、低周疲劳磨损机理、局部化机理、“绝热剪切-导致剥落”机理、挤压锻造“成片”机理、脱层理论机理[8]。

国内开展的腐蚀磨损研究侧重在具体工程项目评价和材料开发方面，当前还没有对磨损腐蚀规律的系统研究，关于磨损腐蚀的研究还需深入地进行。

3磨损腐蚀试验装置的设计磨损腐蚀是腐蚀介质和金属表面间有相对运动而引起金属的加速破坏。

当腐蚀介质中含有固体颗粒时，这种破坏非常严重，造成了处理固体混合介质的机械设备使用寿命的显著下降。

为了提高这些设备的使用寿命，合理选材和开发耐磨损腐蚀的新型金属材料是非常重要的。

为此需要一个能模拟工况条件的试验装置，以便能评价金属材料磨损腐蚀的性能，研究磨损腐蚀机理和影响因素[9]。

固体颗粒在流动介质中的运动，可以分成两种基本状态：一种是圆周运动，另一种是直线运动、为了能考察这两种运动状态对磨损腐蚀的影响，所设计的试验装置由电极旋转系统和液体流动系统两大部份组成。

图1. 磨损腐蚀实验装置1-测速盘，2-电刷，3-测速仪，4-电机，5-参比电极，6-辅助电极，7-转动轴，8-喷嘴，9-研究电极，l0-溢流管，11-电机，l2-加热管，l3-搅拌浆，l4-贮液槽，l5-电解池，l6-控温探头，l7-电磁流量变送器，18-电磁流量转换器，19-泵3.1电极旋转系统[9]电极旋转系统主要由电机、传动装置、光电测速仪和转动轴组成。

转动轴的内部采用导电性好、机械强度较高的黄铜棒。

在黄铜棒的上部外套胶木，下部外套聚四氟乙烯。

研究电极直接旋在黄铜棒的下端，其底部用个聚四氟乙烯底盖封闭。

研究电极上的电信号，通过黄铜棒和共上端的电刷引出。

3.2液体流动系统[9]液体流动系统主要由贮液槽、搅拌器、电解池，电动泵和电磁流量计组成。

贮液槽和电解池用聚丙烯制作，该系统的阀门和管道也采用聚丙烯材料。

电动泵的主叶轮和副叶轮用耐磨损腐蚀性较好的J-1不锈钢制造。

在电磁流量变送器中，有两个用耐蚀合金制成的检测电极。

当含有固体颗粒的腐蚀介质经过该流量变送器时，这两个电极也将发生磨损腐蚀。

为了减少电磁流量变送器的工作时间，设计了两条液体流动回路。

在做磨损腐蚀试验时，先将阀门8关闭，阀门2和阀门4全部开足，用阀门1控制流量。

等流量稳定后，再把阀门3开足，将阀门2和阀门4关闭，使固液混合介质不再经过电磁流量变送器。

电解池中的液面高度由阀门5控制。

为了防止电解池中的溶液溢出，在电解池的上部装了一个溢流管。

流动液体通过喷嘴进入电解池，改变喷嘴的尺寸可控制喷出液体的线速度。

本磨损腐蚀试验装置研究电极旋转平稳、其转速和固液泯合介质的流速均比较稳定。

可使用该装置评价金属材料耐磨损腐蚀的性能，研究磨损腐蚀机理和影响因素。

4 强化耐磨蚀性能的途径在恶劣的工况下，双相不锈钢很容易产生严重的磨蚀现象，因而在保证耐腐蚀性能的前提下，应从材料成分设计、材料制造工艺、材料耐冲刷腐蚀性能等方面进行进一步优化和开发，提高双相不锈钢的耐磨性能，延长使用寿命。

目前发展耐磨损腐蚀性能的双相不锈钢可采用的途径有形变强化、第二相强化、恰当的热处理制度及微量元素合金化等。

4.1 形变强化双相不锈钢比单相不锈钢具有更好的耐磨蚀性能，这源于合金中低Ni的γ相的形变强化能力[10]。

奥氏体钢易发生形变强化和形变诱发相变，从而增加材料的硬度并提高其耐磨性。

由于形变强化对材料的耐腐蚀性不产生明显影响，故可以利用它改善腐蚀环境中不锈钢的耐磨蚀性能[11-12]。

用AISI304钢和Cr-Mn-N双相不锈钢进行磨损和腐蚀磨损试验，测定磨损和磨蚀的体积损失随载荷及接触应力的变化关系及磨痕的显微硬度，观察了磨痕形貌及Cr-Mn-N双相不锈钢形变引起的位错滑移及增殖[13]。

证明双相Cr-Mn-N不锈钢具有较强的形变强化能力，良好的耐磨性和耐腐蚀性。

这说明在不降低合金耐蚀性的前提下，利用合金本身的形变强化能力提高其耐磨蚀性能，是一种开发耐磨蚀合金的有效途径。

襄樊五二五厂生产的叶轮用材料CD4MCu就是利用形变强化提高耐磨蚀性能的一种双相不锈钢。

与304、20Cb3和Cr30相比，这种钢具有更好的耐磨蚀性能，这主要来源于其在运行过程中具有较强的表面加工硬化能力。

表面加工硬化能力是由其双相组织决定的，低Ni的面心立方γ相层错能低，属亚稳奥氏体结构，在表面剪切应力作用下，产生大量的位错增殖，故其形变强化能力强。

α相的形变强化能力小，使之在形变过程中起到缓冲作用，能抑制裂纹的扩展，使被磨损的材料在宏观上表现为外强内韧，这种效果在高荷载条件下尤为明显，从而表现出较高的耐磨性[14]。