低温扩散预处理对含B超级奥氏体不锈钢S31254析出相及耐蚀性的影响

doi:10.11902/1005.4537.2025.073

低温扩散预处理对含B超级奥氏体不锈钢S31254析出相及耐蚀性的影响

何燕^,¹^,², 刘燕¹^,², 田华¹^,², 陈晔¹^,²

1 中国机械总院集团山西机电研究院有限公司太原 030009

2 山西省机械产品质量监督检验站有限公司太原 030009

Effect of Low Temperature Diffusion Pretreatment on Precipitation of Phases During Post-aging Treatment for B-containing S31254 Super Austenitic Stainless Steel and its Corrosion Resistance

HE Yan^,¹^,², LIU Yan¹^,², TIAN Hua¹^,², CHEN Ye¹^,²

1 China Academy of Machinery Shanxi Electromechanical Research Institute Co. Ltd. , Taiyuan 030009, China

2 Shanxi Machinery Products Quality Supervision and Inspection Station Co. Ltd. , Taiyuan 030009, China

通讯作者: 何燕，E-mail：heyan2012@163.com，研究方向为金属材料

收稿日期: 2025-02-28 修回日期: 2025-05-30

Corresponding authors: HE Yan, E-mail:heyan2012@163.com

Received: 2025-02-28 Revised: 2025-05-30

作者简介 About authors

何燕，女，1988年生，工程师

摘要

研究了低温扩散预处理对含B超级奥氏体不锈钢S31254钢高温时效过程中晶界析出相及耐蚀性的影响。结果表明，含B超级奥氏体不锈钢经过低温300 ℃不同时间扩散处理，可改变B在晶界的分布，低温扩散时间越长，对后续高温时效处理中析出相的析出影响越明显，其中300 ℃保温60 min的试样抑制高温时效析出相析出明显。B参与了晶界析出相的析出，含B富Mo析出相相界面具有更好的耐蚀性能。经过300 ℃不同时间扩散处理后，S31254钢高温时效组织中析出相明显减少。

关键词： 超级奥氏体不锈钢 ; 析出相 ; 时效处理 ; 耐蚀性 ; 扩散处理

Abstract

In this paper, hot rolled plate of a B-containing super austenitic stainless steel S31254 was subjected to solid solution treatment at 1180 ^oC for 20 min, and then diffusion pre-treatment at 300 ^oC for different times, and finally aging 900 ^oC for 2 h. Meanwhile the influence on the precipitation of second phases during aging process and the corrosion performance in 10% NaCl solution of the aged steel was assessed. The results show that when the steel is subjected to pre-diffusion treatment at 300 ^oC for different times, it will affect the redistribution of B at grain boundaries after subsequent high-temperature aging treatment. The longer the low temperature diffusion time, the more significant the impact on the formation and distribution of the precipitation phase. Among others, the steel being pre-diffusion treated at 300 ^oC for 60 min may present the most significant inhibition effect on the precipitation of second phases. B is involved in the precipitation of the precipitated phase at grain boundaries, the B-containing Mo-rich precipitate phase interface has better corrosion resistance. After diffusion treatment at 300 ^oC for different times, the precipitates of were significantly reduced in the aging microstructure of S31254 steel.

Keywords： super austenitic stainless steel ; precipitate phase ; aging treatment ; corrosion resistance ; diffusion pretreatment

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本文引用格式

何燕, 刘燕, 田华, 陈晔. 低温扩散预处理对含B超级奥氏体不锈钢S31254析出相及耐蚀性的影响. 中国腐蚀与防护学报[J], 2025, 45(6): 1773-1778 DOI:10.11902/1005.4537.2025.073

HE Yan, LIU Yan, TIAN Hua, CHEN Ye. Effect of Low Temperature Diffusion Pretreatment on Precipitation of Phases During Post-aging Treatment for B-containing S31254 Super Austenitic Stainless Steel and its Corrosion Resistance. Journal of Chinese Society for Corrosion and Protection[J], 2025, 45(6): 1773-1778 DOI:10.11902/1005.4537.2025.073

超级奥氏体不锈钢(SASS)作为苛刻条件下使用的更具经济性的材料，具有高的抗晶间腐蚀以及应力腐蚀能力，主要用于制浆造纸、化肥工业、制药行业、石油化工、烟气脱硫等领域。高Mo的SASS，如S31254和S32654钢等，由于热轧过程中高Mo、Cr的σ脆性析出相析出敏感，极易引起热轧开裂问题，影响其热塑性和耐蚀性。改善SASS的热塑性和耐蚀性能，针对抑制Cr和Mo的偏析减少σ相的析出，始终成为研究焦点^[1~6]。

微合金化是抑制SASS中析出相析出的有效方法，主要用于稳定其奥氏体组织^[7]。Ni可以稳定奥氏体，延缓第二相形成，降低其析出敏感温度^[8]。SASS中固溶N含量约为0.2% (质量分数)，可以稳定奥氏体相，抑制第二相形成，且提高材料力学、热加工及耐蚀性能^[9]。与其他元素相比，B在奥氏体中溶解度极小，容易向晶界偏析，可改善晶界稳定性能，对合金元素扩散和第二相析出产生影响^[10~12]。B可抑制S31254超级奥氏体不锈钢在凝固过程中元素偏析和σ相形成，并减少晶界附近的贫Cr区，提高耐腐蚀性^[13,14]。Li等^[15]研究表明B可抑制钢中M₂₃C₆碳化物的生长和聚集，使其呈颗粒状分布在晶界，而非连续长条状；B在晶界上的偏聚降低晶界的界面能，提高晶界结合能力。Bai等^[16]证实B对SASS变形过程中晶界上σ相的形成具有延缓作用，Yu等^[17]研究表明B在晶界的偏析抑制了Mo偏析倾向，限制其向晶界扩散和偏析，抑制σ相的析出，促进塑性变形，有利于动态再结晶，在一定程度上改善材料的热塑性。在超级奥氏体不锈钢中添加适量Ce可以使得凝固组织中铁素体数量增加，在一定程度上减少Mo偏析和σ相析出^[18~20]。

B对于SASS中析出相的抑制作用，主要源于对晶界的析出相产生影响，但是现有检测手段难以分析B在晶界的作用。为了进一步理解B的作用，本文选取固溶处理后S31254钢试样，借助低温扩散处理，促进B晶界扩散，通过高温时效处理，分析晶界析出相的析出规律，来阐明B对奥氏体晶界Cr、Mo的偏聚行为及析出相形成影响。为更好发挥B在SASS中的作用提供参考。

1 实验方法

本实验所用S31254钢由太原钢铁集团技术中心冶炼并热轧成28 mm厚板材，其化学成分(质量分数，%)为：C 0.013，Si 0.17，Mn 1.75，P 0.007，S 0.002，Cr 19.75，Ni 17.52，Mo 5.85，Cu 0.98，N 0.21，B 0.004，余量为Fe。热轧板的热处理工艺为：1180 ℃保温40 min进行固溶处理后水冷，固溶后的试样在300 ℃分别保温0、20、40和60 min扩散处理，之后在900 ℃进行保温2 h的时效处理，热处理工艺曲线如图1所示。为了便于分析，将300 ℃分别保温0、20、40和60 min扩散处理，并经900 ℃保温2 h的试样，分别对应标记为：300-0 min、300-20 min、300-40 min和300-60 min。

图1

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图1 热处理工艺流程

Fig.1 Heat treatment process flow

用线切割机加工试样成10 mm × 10mm × 3 mm，在KSL-1200X型高温管式炉进行固溶处理、扩散处理、时效处理。随后试样用120#砂纸逐渐磨到3000#，用1.5 μm金刚石抛光膏在抛光机上机械抛光，用FeCl₃盐酸饱和溶液进行浸蚀。金相组织析出相、腐蚀形貌用Zeiss Sigma 300型扫描电子显微镜(SEM)观察，配合Oxford Ultim Max 40型能谱分析仪(EDS)分析析出相成分、元素分布。

采用改进的双环电化学动电位再活化(DL-EPR)方法来探索热处理工艺对S31254耐蚀性能的影响。DL-EPR测试使用PARSTAT 2273型电化学工作站，采用三电极体系，参比电极(饱和甘汞电极，SCE)、对电极(铂箔)和工作电极(老化样品)。将抛光后的10 mm × 10 mm × 3 mm标准试样在电化学工作站进行点蚀性能测试，腐蚀介质为25 ℃的10% (质量分数) NaCl溶液。电化学动电位极化曲线实验参数为：初始电位为-0.4 V (相对于开路电位)，扫描速率为0.5 mV·s^-1，终止电位是1.6 V (相对于开路电位)。电化学阻抗测试参数为：频率范围10⁵~10^-2 Hz，正弦波(AC)的交流幅值为10 mV。在电化学测试过程中每个样品至少测试3次，以确保数据的可靠性^[21]。

2 结果与讨论

2.1 低温扩散与时效析出相

S31254钢试样经过1180 ℃固溶处理并水淬后，在300 ℃下分别保温0、20、40和60 min，并于900 ℃时效处理2 h，试样的显微组织如图2所示。可以看出析出相主要在晶界析出，这4种试样中的析出相数量存在明显差异。固溶后直接时效300-0 min试样，晶界析出相最多，在晶界几乎连成网状。300-20 min试样中晶界析出相数量明显减少，且呈间断性、断续状分布，和固溶后直接时效试样相比，经300 ℃保温时效的晶界析出相并非呈直线析出，呈现为锯齿状。300-40 min试样析出相比300-20 min试样，晶界析出相数量更少，间断性更大，晶界析出相锯齿形状明显。300-60 min试样中晶界析出相与300-40 min试样相近，断续的程度更为明显。

图2

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图2 S31254钢在300 ℃保温不同时间后在900 ℃时效处理2 h的显微组织

Fig.2 Microstructures of S31254 steel after isothermal treatment at 300 ^oC for 0 min (a), 20 min (b), 40 min (c), 60 min (d) and then aging at 900 ^oC for 2 h

综上，300 ℃分别保温0、20、40、60 min不同时间，再900 ℃时效处理2 h后试样中析出相主要分布于晶界，随着扩散时间的延长，析出相的数量越来越少，在晶界呈现出锯齿状形态分布。

2.2 析出相各元素变化分析

S31254钢固溶处理试样经300 ℃分别保温0、40、60 min，再时效处理试样的EDS能谱分析结果见图3。可以看出，析出相主要含有Cr、Mo、B等元素，分为富含Cr、Mo的析出相和富含B、Mo的析出相两种类型。具体来看，固溶后直接时效300-0 min试样，晶界析出相最多，析出相中包括富含Cr、Mo的析出相和富含B、Mo的析出相，其中前者含量较多。300-40 min试样富含Cr、Mo的析出相很少，以富含B、Mo的析出相居多。300-60 min试样主要以富含B、Mo的析出相为主。由此可知，固溶试样经300 ℃扩散时间越长，越有利于含B、Mo的析出相的形成。

图3

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图3 S31254钢在300 ℃保温不同时间后在900 ℃时效处理2 h后的EDS能谱分析

Fig.3 EDS composition analysis of S31254 steel after firstly isothermal treatment at 300 ^oC for 0 min (a), 40 min (b), 60 min (c) and then aging at 900 ^oC for 2 h

为了进一步分析低温扩散处理对晶界B的影响，采用Thermo-Calc计算软件，计算了B在fcc-Fe中不同温度的溶解度，图4给出了B在奥氏体钢中的溶解度曲线。可以看出1180 ℃固溶处理时，B在奥氏体基体中溶解度约为0.0031% (质量分数)，由于不锈钢中B的添加量很低，为0.004%，应该1180 ℃固溶处理使得部分B溶在基体中。Xu等^[22]利用微观组织表征和理论计算研究了B对σ相析出行为的影响，计算结果证实B优先偏聚于晶界，抑制Mo、Cr等的偏聚，从而抑制σ相的形成。Zhang等^[23]研究表明B对析出相析出的机制以及对耐蚀性有影响，不仅抑制σ相的形成并可形成含B的Laves相，减少晶界附近的贫Cr区，提高SASS耐晶间腐蚀性能。结合SASS固溶处理后的淬水处理，固溶试样形成了过饱和固溶体，此时固溶态的试样中应该有部分B以过饱和形式溶于奥氏体基体或者缺陷中。由于B原子半径较小，为间隙原子，300 ℃下不同时间的扩散处理，B容易在保温过程中由奥氏体基体内向晶界扩散。扩散时间的长短对于B的扩散影响明显。从图2和3可见，300 ℃不同时间的扩散处理，影响了晶界析出相的析出，同时扩散时间不同晶界处B的能谱强弱也有差别，说明B扩散到晶界，影响时效过程中析出相的形成。

图4

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图4 B在奥氏体钢中的溶解度曲线

Fig.4 Solubility curve of B in austenitic steel

2.3 低温扩散处理与时效组织耐蚀性能

S31254钢固溶处理试样，经300 ℃保温0、20、40、60 min，于900 ℃时效处理2 h后试样的电化学动电位极化曲线见图5。可见，析出相较少，300-40 min试样的耐蚀性和300-60 min试样接近，300-20 min试样的耐蚀性表现较弱，耐蚀性强弱依次是300-60 min > 300-40 min > 300-0 min > 300-20 min。

图5

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图5 S31254钢经300 ℃保温处理不同时间后再经900 ℃时效处理2 h，在10%NaCl水溶液中的动电位极化曲线

Fig.5 Potentiodynamic polarization curves of S31254 steel after firstly isothermal treatment at 300 ^oC for different time and then aging at 900 ^oC for 2 h in 10%NaCl solution

经300 ℃保温0、20、40、60 min并时效处理S31254钢试样的DL-EPR测试结果见图6，再活化电流I_r值、再活化率R_a值见表1。

图6

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图6 经300 ℃保温处理不同时间、再经900 ℃时效处理2 h后S31254钢的动电位再活化曲线

Fig.6 Potentiodynamic reactivation curves of S31254 steel with isothermal treatment at 300 ^oC for different time and then aging at 900 ^oC for 2 h in 10%NaCl solution

表1 图6中S31254钢动电位再活化曲线I_r与R_a拟合值

Table 1 Fitting I_r and R_a values of potentiodynamic reactivation curves of S31254 steel in Fig.6

Sample	I_r / A·cm^-2	R_a (I_r/I_a) / %
300-60 min	0.001532	0.0880
300-40 min	0.001876	0.1180
300-20 min	0.006180	0.3394
300-0 min	0.003789	0.2198

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R_a代表再活化率，R_a越大，晶间腐蚀敏感性越强，根据检测结果对试样的晶间腐蚀敏感性进行分析。300-60 min试样为所有试样中耐晶间腐蚀敏感性最好，300-40 min试样的耐蚀性弱于300-60 min试样，但是总体来讲，300 ℃不同时间的保温处理有利于提升SASS的耐蚀性。I_r代表再活化电流，I_r值的大小表示合金元素的贫乏程度，由晶间腐蚀曲线知，300-20 min试样的I_r值最大，因为不锈钢中影响晶界耐蚀性的元素为Cr和Mo，析出相以高Cr高Mo为主，析出相与基体界面应该存在一定宽度的贫Cr贫Mo区，因而试样晶界表面析出相周边腐蚀区域很宽。300-60 min试样的I_r值最小，这也与析出相成分中Cr含量低，且析出相周围被腐蚀区域宽度小相对应。

S31254钢试样经过1180 ℃固溶处理40 min后水淬，经300 ℃分别保温0、20、40、60 min，并于900 ℃时效处理2 h后，再经电化学极化处理，表面腐蚀形貌如图7所示。可以看出，固溶后直接时效300-0 min试样表面晶界腐蚀严重，主要沿原有析出相发生腐蚀。300-20 min试样析出相减少，但相界面的腐蚀仍然很严重。300-40 min试样析出相明显减少，带有析出相的相界面的腐蚀程度也减弱。300-60 min试样析出相及腐蚀程度与300-40 min试样相近，较300-0 min、300-20 min试样相界面的耐蚀性明显提高。

图7

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图7 经300 ℃保温处理不同时间后再经900 ℃时效处理2 h的S31254钢电化学极化腐蚀表面形貌

Fig.7 Surface corrosion morphologies of S31254 steel with isothermal treatment at 300 ^oC for 0 min (a), 20 min (b), 40 min (c), 60 min (d) and then aging at 900 ^oC for 2 h after electrochemical polarization

3 结论

固溶态含B超级奥氏体不锈钢S31254在300 ℃不同时间的扩散预处理，可以使B在奥氏体晶界发生再分布，保温时间越长，对于后续高温时效处理试样中析出相的析出影响越明显，有利于抑制时效过程中析出相的析出，同时由富Cr富Mo析出相转化为含B富Mo析出相。其中300 ℃保温40和60 min的试样抑制析出相析出效果明显。B参与析出相的析出，含B富Mo析出相的试样具有较佳的耐晶间腐蚀性能。

参考文献

原文顺序

文献年度倒序

文中引用次数倒序

被引期刊影响因子

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