2024年6月3日发(作者：扬飞章)
Vol.54 No.4 Apr. 2021
凝固冷却速率对2507超级双相不锈钢
微观组织的演变及耐蚀性能的影响
沈楚，邹德宁，赵洁，陈阳
(西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安 710055)
[摘要]为探究凝固冷却速率对2507超级双相不锈钢微观组织与耐蚀性能的影响，采用光学显微镜（0
M
)和
扫描电子显微镜（
SEM
)研究了不同凝固冷却速率2507超级双相不锈钢的微观组织演变规律，并结合
Image
-
Pro
图
像分析软件与铁素体分析仪，确定了各不同凝固冷速试样组织中的各相含量，得到了凝固冷却速率对
ct
相析出的
影响规律及(
T
相的析出机理。再采用动电位极化法与交流阻抗谱法研究了各不同凝固冷却速率2507超级双相不
锈钢的耐蚀性能。结果表明：试样组织中的（
T
析出相含量随着凝固冷却速率的降低而增加，试样的耐蚀性能随着
凝固冷却速度的降低而减弱。
[关键词]2507超级双相不锈钢；凝固冷却速率；<7析出相；微观组织；耐蚀性能
[中图分类号]
TG
506.7+1 [文献标识码
]A
[文章编号]100卜1560(2021)04-0074-06
Effect of Solidification Cooling Rate on the Microstructure Evolution and
Corrosion Resistance of 2507 Super Duplex Stainless Steel
SHF.N Chu, ZOU De-ning, ZHAO Jie, CHEN Yang
(School of Metallurgy and Engineering, Xi*an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)
Abstract
：
For exploring the influence of solidification cooling rate on the microstructure evolution and corrosion resistance of 2507 super duplex
stainless steel, the law of the microstructure evolution of 2507 super duplex stainless steel with different solidification cooling rates was
investigated by optical microscope ( OM) and scanning electron microscope ( SEM). The contents of each phase in the samples with different
solidification cooling rates were determined by Image-Pro image analysis software and ferrite analyzer, and the effect of solidification rate on the
precipitation of a phase and the precipitation mechanism of
a
phase were obtained. Furthermore, the corrosion resistance properties of 2507
super duplex stainless steel with different solidification and cooling rates were investigated by potentiodynamic polarization and electrochemical
impedance spectroscopy. Results showed that the content of a phase in the samples structure increased with the decrease of solidification cooling
rate, and the corrosion resistance of the samples weakened with the decrease of solidification ccxjling rate.
Key
words
：
2507 super duplex stainless steel
；
solidification cooling rate
；
a phase
；
microstructure
；
corrosion resistance
〇前言
2507超级双相不锈钢是超低碳并具有较高合金含
量的一种高性能不锈钢，它兼具有铁素体不锈钢和奥
氏体不锈钢的优点，而其中最为突出的是它具有比普
通双相不锈钢更优异的耐腐蚀性能。因此,2507超级
双相不镑钢广泛应用于煤化、烟气脱硫、海水淡化及核
工业等对材料的耐蚀性能要求苛刻的环境中[1—4]。在
双相不锈钢的实际铸造生产过程中，铸坯各处凝固冷
却速率不同，会对材料的两相比例产生一定的影响；由
[收稿日期]2020- 10-24
于2507超级双相不锈钢高合金化的特点及各合金元
素在两相中的扩散速率不同等原因，在冷却过程中极
易产生富
Cr
、富
M
〇的金属间析出相，这些有害的析出
相会导致材料内部产生贫
Cr
区和贫
Mo
区，对材料的
耐蚀性能产生极大的影响。蓝剑锋等[5i研究发现当温
度为950
X
；时，2507超级双相不锈钢中在在
a
/7相界
析出
a
相，之后随着温度升高，
ex
相逐渐溶解。
Hong
等[6]发现经900丈固溶处理的2507双相不锈钢组织
中生成的
a
相和％相会使材料的耐腐蚀能力显著下
降。
Marcelo
等[7]研究发现双相不锈钢中的
cr
相在
[基金项目]国家自然科学基金（
51774226);
陕西省重点研发计划项目（
N
〇
.2018ZDXM-GY-149)
资助
[通信作者]部德宁（1964-),教授，从事先进金属材料的研究与开发，电话：135****6380,
E
-
:
zoudening
@
第
54
卷
.
第
4
期
• 2021
年
4
月
1 160尤固溶处理后会完全溶解，而在凝固冷却过程中
〇•相又会以带状的形态析出；
Ha
等[8]研究发现双相不
锈钢的耐点蚀性随着其组织中铁素体含量的升高而降
低，且并且点蚀优先发生在《/7相界处并向奥氏体相
内扩展。
考虑到在实际工业生产中，2507超级双相不锈钢
铸坯不可避免地会面临冷却速率存在梯度差异的现
象，而冷速的不同会进一步对材料的组织与性能产生
影响，目前很少有人对连铸坯在实际生产过程中面临
的由于位置不同而导致的各处冷却速率不同、从而使
材料后续微观组织与性能出现差异的现象进行系统研
究。因此，本工作选取铸坯上具有典型代表的6个不
同部位的试样，对其微观组织结构演变及耐腐蚀性能
进行了系统的探究与分析，对该材料的生产工艺优化
及后期的应用提供了一定理论支撑。
75
验温度为30
T
。首先将初步打磨后的试样置于50
T
、25%的
HN
03溶液中预钝化1
h
,然后对试样进行封
装并用水砂纸打磨至2 000号，抛光后清洗表面，烘干
备用。试验选用的动电位极化曲线的测试电压区间为
-1.0~1_5
V
(
vsSCE
),扫描速度为0.5
mV
/
s
;交流阻抗
的正弦激励信号幅值为10
mV
，测试频率范围为100
kHz
〜10
mHz
,并利用
ZsimpWin
软件对交流阻抗谱进
行等效电路模型拟合。相同条件下每组试验至少重复
3次以确保其再现性。
2结果与讨论
2.1金相组织分析
图2为各不同取样位置试样的金相显微组织。图
2中黑色部分为
ex
析出相，灰色部分为
a
铁素体相，白
色部分为7奥氏体相。由图2中可以看到，无论是心
1试验材料与方法
试验材料选择铸态2507超级双相不锈钢，其化学
部还是边部，取样位置由上往下，冷却速率逐渐减小，
试样的显微组织中
a
析出相的含量逐渐增多;横向对
比同一水平高度的试样，边部试样的冷却速率大于心
部试样，同时边部试样显微组织中的(
T
析出相含量也
较少。
表1所示为各试样组织中
由表1可以看出冷却速率对
成分（质量分数，％)为：25.420 0
Cr
，3.700 0
Mo
,
0.640 0
Mn
,6.540 0
Ni
,0.016 0
C
,0.460 0
Si
,0.023 0
P
，0.268 0
N
，0.080 0
Cu
,0.000 5
S，Fe
余量。试样在铸
坯的取样位置如图1所示，由上到下试样的冷却速率
逐渐减小，从心部到边部冷却速率不断增大。
a
相与
ex
相所占比例。
a
相与
ex
相的比例变化
影响呈现出相反的趋势。冷速最慢的1-3试样组织
中
cr
相所占比例最多，
a
相所占比例偏少；冷速最快
的3-1试样组织中(
T
相所占比例少，
ot
相所占比例
最多。
表
1
编号
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢《相和〇■相比例
(T
相比例
/%a
相比例
/ %
编号
1.14
1.34
3.60
44.95
43.15
39.91
3-1
3-2
3-3
CT
相比例
/%a
相比例
/ %
0.26
0.41
0.89
57.63
56.28
54.25
1-1
1/2
处
图
1
边
1-2
1-3
超级双相不锈钢
2507
取样方案及编号
本工作所有试样均经线切割成10
mm
X
1〇
mm
X
10
mm
块状，金相腐蚀液配方为10%(质量分数，下同）
氢氧化钾，20%铁氰化钾与100
mL
蒸馏水，在80尤下
腐蚀4
min
。采用
2.2
SEM
形貌分析
为了进一步分析试样的显微组织，采用扫描电镜
SISC
IAS
V
8.0金相显微镜（
OM
)及
(
SEM
)
观察(
T
相含量最多的编号为
1-3
的
3
a
试样后，选
Gemini
SEM
300场发射扫描电子显微镜（
SEM
)观察并
表征试样的显微组织。再用
取析出相较为典型的区域进行
EDS
能谱分析。图
试样的
SEM
形貌及
EDS
面扫能谱。图
为
3
为
Image-Pro
图像分析软件
Gamry
+
Reference
600 +电
中深色部分
结合铁素体仪分析确定试样中的各相比例。电化学试
验在使用电脑和软件控制的
ex
析出相，灰色部分为
a
铁素体相，浅色部分为7奥
氏体相。从图3
a
中可以看到，〇■相从
a
/?相交界处开
始析出，并逐渐向着《相内部发展，直至占据整个
晶粒。由图
化学工作站上进行。试验采用三电极体系，以试样作
为工作电极,铀电极作为辅助电极，饱和甘汞电极作为
参比电极。腐蚀液选用浓度为3
a
相
3
b
~3
e
可以看到，奥氏体晶粒中富集
Ni
元
g/L
的
NaCl
溶液，试
素，(
J
相富集
Cr
和
Mo
元素。
(d ) 3-2
(e) 1-3
⑴
3-3
图
2
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢金相显微组织
(h) KDS
面扫
，Cr (c) F:DS
面扫
，Mo (d) F:DS
面扫
，O (f) EDS
面扫
，Ni
图
3 2507
超级双相不锈钢
SEM
形貌及
EDS
能谱
2.3
a
相的析出机理
采用
Thermo
-
Calc
热力学软件绘剂2507超级双相
不锈钢的凝固相图，温度区间为500~1 600尤，如图4
所示，图4中的
HCPCrN
表示密堆六方
CrN
。可以看
出，2507超级双相不锈钢在凝固冷却过程中，(
T
相开始
析出时的温度为1 006.1
t
，最大析出量为40.52%。
降低凝固冷却速率相当于延长了试样在
a
相析出温度
区间内的停留时间，因此
cr
相的析出量随着凝固冷速
第
54
卷
•
第
4
期
.2021
年
4
月
7T
的降低而增加[9]。
试样的凝固冷却速率越慢，组织中析出相的含量越高，
100
钝化区的范围也越小，说明钝化膜的稳定性随着试样
冷却速率的减慢而逐渐降低，导致钝化膜更容易被外
80
部侵蚀性离子破坏而发生腐蚀。
%/
6
4
0
0
藏
汆
劇
&
>
/
20
0
/TC
-
1.0
图
4 2507
超级双相不锈钢凝固相图
另一方面，2.2节中的
EDS
结果显示
tr
相富含
Cr
9 -8 -7 -6 -5 -4
和
Mo
元素，而
Ci
•和
Mo
都是铁素体相稳定元素，富集
lg[7/ ( A • cm 2)]
(a
)心部
于铁素体相内,所以当
cr
相在
a
/7的边界开始形核析
出以后,
Cr
和
Mo
元素会从铁素体相内向(
T
相处迁移，
这也是
cr
总是朝着铁素体相内长大的原因11(11。此外，
虽然
Ni
元素是奥氏体稳定元素，但
Ni
也会从另一个角
度促进
cr
相的析出[11’12]。这是由于
a
相中
Ci
■和
Mo
元素的富集使得其周边铁素体中
Ni
含量相对增加，这
种铁素体内部的局部区域
M
元素过饱和会使得铁素
体不稳定，从而转变为二次奥氏体72相;72相的析出又
使得其周围富
7 -6 -5
Ci
•和
Mo
并贫
Ni
,进而又会在72相的边
lg[7/ ( A • cm ) J
缘析出
CT
相，即可认为(
T
相的析出是按照(
X
—(7 + 72共
(b
)边部
析反应方式进行的，这一结果与表1中所示各试样的
a
图
5
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢动电位极化曲线
相和(
T
相含量的变化规律相吻合。
表2所示为不同冷却速率2507超级双相不锈
2.4不同冷却速率2507超级双相不锈钢的电化学极
钢的点蚀电位与自腐蚀电流密度。点蚀电位用来表
化曲线
征材料耐蚀性的强弱，自腐蚀电流密度用来表征材
卤素阴离子尤其是
cr
对不锈钢材料具有很强的
料腐蚀倾向的大小。可以看出，随着试样冷却速率
腐蚀性。当不锈钢处在具有一定浓度
cr
的环境中
的减小，点蚀电位逐渐降低，而自腐蚀电流密度逐渐
时，其表面会发生点腐蚀。
cr
会和氧在不锈钢表面
增大，材料钝化膜的溶解速率增大，耐蚀能力逐渐
进行竞争吸附，当不锈钢表面上氧的吸附点被
cr
所
减弱。
取代时，体系中会产生金属-羟-氯配合物，这种配合
表
2
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢
物水解后又会生成
cr
,继续与氧的竞争吸附反应，从
动电位极化相关参数
而导致不锈钢表面膜被破坏[13]。试样表面产生点蚀
试样编号
1-11-2
1-33-13-2
3-3
后，
cr
会在蚀坑的内部不断累积，基体金属发生水解
^corr/mV
0.5960.550.536
0.8530.8390.821
反应使蚀坑内的
pH
值不断降低，金属离子浓度上升，
•Zcor/-1)
13.710
17.93722.524
3.163
6.212
9.528
为了维持点蚀坑内外的电荷平衡，溶液中的
cr
会不
断穿过腐蚀产物向蚀坑内移动，进而促进了点蚀的
2.5不同冷却速率2
S
07超级双相不锈钢的电化学阻
发展[|4]0
抗谱
图5为
Mo
含量为3.7%的不同凝固冷却速率2507
图6所示为
Mo
含量为3.7%的不同冷却速率的
超级双相不锈钢的动电位极化曲线。从图5可以看
2507超级双相不锈钢的电化学交流阻抗图谱。阻抗谱
出，试样在电解质溶液中均存在典型的阳极钝化区，且
的弧度越大,说明材料的电化学阻抗越大，电荷转移的
7S
Vol.54 No.4 Apr. 2021
阻力越大，材料的耐蚀性越好[15]。从图6可以看出，随
着冷却速率的减小，交流阻抗谱曲线的弧度也逐渐减
小，表明随着冷却速率减小材料的耐蚀性也逐渐降低，
与极化曲线测试的结果一致。
—M
丨一1-2
(3)和式(4):
= =
Q(^y
(4)
式（3)和式（4)中，
F
为导纳;为
CPfi
电容,
fl_l
.
cm
-2
s
-n;
j
为虚数单位，
j
2 =-丨
；w
为角频率,
rad
/
S
;
n
为咖指数，
n
值一般小于1〇
‘ —
U
O
I
)
r
N
1-3
等效电路的总阻抗值见式(5):
10
ZJ
15
(a
)心部
20 25 30
式（5)中，为电解质溶液电阻;
尺,
为外层多孔钝化膜
电阻;认为钝化膜外层电容;/?2为钝化膜内层电阻;(?2
为钝化膜内层电容。
表3为不同冷却速率下2507超级双相不锈钢的
EIS
拟合数据。根据表3可见，溶液电阻较小，说明
( 10' n • cm2)
(
E
3
.
u
o
c
r
z
其对试验体系的影响较小;钝化膜内层电阻/?2的值远
大于外层电阻'，表明对不锈钢基体起主要保护作用
的为钝化膜内层;随着试样的凝固冷却速率的降低，
K
2
的值减小，内层钝化膜的电导率增加，保护能力减弱，
故试样的耐蚀性也随之降低。极化电阻值是评价金属
0 5 10 15 20 25 30 35
耐蚀性的重要参数，图7所示电路模型中，极化电阻
= 。由表3可知，随着试样凝固冷却速率的降
低,/?
P
值不断减小，说明试样的耐蚀性能逐渐减弱。此
外，的无量纲参数…和《2与钝化膜表面的均一性
和致密性有关，
n
值越大，说明材料表面存在的晶界、缺
陷和杂质等越少，即钝化膜的保护性能越好。从表3
中可以看出，^和值均随着试样凝固冷却速率的减
小而降低，即试样表面的钝化膜性能变差，对基体的保
护能力减弱。
表3
试样
编号
尺
sol
Z,,/ ( 10* fl • cm2)
(b
)边部
图
6
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢交流阻抗谱
选取如图7所示的等效电路模型(扒/?((?/〇))
对电化学阻抗谱图进行分析拟合，可以得到不同冷却
速率时2507超级双相不锈钢在试验溶液中的电化学
阻抗谱相关参数。
Q
,
不同冷却速率2
S
07超级双相不锈钢的
EIS
拟合数据
l-i
97.92
1-2
92.67
1-3
86.43
3-1
87.21
3-2
88.20
3-3
85.08
x 1(T6
-6
2.906x KT6 4.271 x 1(T6 4.54
〇
5.425X10'65.522xl
〇
-66.299xl
〇
n
0.856 8
871.5
0.852 8
777.6
0.835 2
713.1
0.895 7
5 926.0
0.886 2
2 450.0
0.875 8
1 368.0
其中等效电阻和常相位角原件的阻抗分别见
式（1)和式(2):
zr
=
R
R'
Qi
-6 1.562xl
〇
_5
2.298x10 s
-52.912xl
〇
_5
7.819xl
〇
2.303xl
〇
-52.794xl
〇
0.893 50.885 1
0.840 01.000 0
0.984 2
0.898 1
(1)
(2)
n2
R!
式
（1)
和式
（2)
中,
Z
模值。
R
YQ
3
和々分别为电阻和电容的阻抗
--—(
jw
)
6
8.368x10s
54.554x1
〇
6
1.562xl
〇
7.60
〇
xl
〇
55.002xl
〇
5
2.989xl
〇
3
结论
等效电阻
ft
和常相位角原件的导纳分别见式
(1)随着凝固冷却速率的降低，2507超级双相不
第
54
卷.第
4
期
• 2021
年
4
月
29
锈钢组织中的(X析出相含量增加，铁素体含量降低，组
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terization, 2009, 60(8)
：
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(2) 2507超级双相不锈钢中的
a
析出相按照
a
—
[8
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<
relation between ferrite fraction and pitting corrosion resist
t
+72的共析反应向着铁素体相内部析出形成。
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[编校：魏兆军]
2024年6月3日发(作者：扬飞章)
Vol.54 No.4 Apr. 2021
凝固冷却速率对2507超级双相不锈钢
微观组织的演变及耐蚀性能的影响
沈楚，邹德宁，赵洁，陈阳
(西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安 710055)
[摘要]为探究凝固冷却速率对2507超级双相不锈钢微观组织与耐蚀性能的影响，采用光学显微镜（0
M
)和
扫描电子显微镜（
SEM
)研究了不同凝固冷却速率2507超级双相不锈钢的微观组织演变规律，并结合
Image
-
Pro
图
像分析软件与铁素体分析仪，确定了各不同凝固冷速试样组织中的各相含量，得到了凝固冷却速率对
ct
相析出的
影响规律及(
T
相的析出机理。再采用动电位极化法与交流阻抗谱法研究了各不同凝固冷却速率2507超级双相不
锈钢的耐蚀性能。结果表明：试样组织中的（
T
析出相含量随着凝固冷却速率的降低而增加，试样的耐蚀性能随着
凝固冷却速度的降低而减弱。
[关键词]2507超级双相不锈钢；凝固冷却速率；<7析出相；微观组织；耐蚀性能
[中图分类号]
TG
506.7+1 [文献标识码
]A
[文章编号]100卜1560(2021)04-0074-06
Effect of Solidification Cooling Rate on the Microstructure Evolution and
Corrosion Resistance of 2507 Super Duplex Stainless Steel
SHF.N Chu, ZOU De-ning, ZHAO Jie, CHEN Yang
(School of Metallurgy and Engineering, Xi*an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China)
Abstract
：
For exploring the influence of solidification cooling rate on the microstructure evolution and corrosion resistance of 2507 super duplex
stainless steel, the law of the microstructure evolution of 2507 super duplex stainless steel with different solidification cooling rates was
investigated by optical microscope ( OM) and scanning electron microscope ( SEM). The contents of each phase in the samples with different
solidification cooling rates were determined by Image-Pro image analysis software and ferrite analyzer, and the effect of solidification rate on the
precipitation of a phase and the precipitation mechanism of
a
phase were obtained. Furthermore, the corrosion resistance properties of 2507
super duplex stainless steel with different solidification and cooling rates were investigated by potentiodynamic polarization and electrochemical
impedance spectroscopy. Results showed that the content of a phase in the samples structure increased with the decrease of solidification cooling
rate, and the corrosion resistance of the samples weakened with the decrease of solidification ccxjling rate.
Key
words
：
2507 super duplex stainless steel
；
solidification cooling rate
；
a phase
；
microstructure
；
corrosion resistance
〇前言
2507超级双相不锈钢是超低碳并具有较高合金含
量的一种高性能不锈钢，它兼具有铁素体不锈钢和奥
氏体不锈钢的优点，而其中最为突出的是它具有比普
通双相不锈钢更优异的耐腐蚀性能。因此,2507超级
双相不镑钢广泛应用于煤化、烟气脱硫、海水淡化及核
工业等对材料的耐蚀性能要求苛刻的环境中[1—4]。在
双相不锈钢的实际铸造生产过程中，铸坯各处凝固冷
却速率不同，会对材料的两相比例产生一定的影响；由
[收稿日期]2020- 10-24
于2507超级双相不锈钢高合金化的特点及各合金元
素在两相中的扩散速率不同等原因，在冷却过程中极
易产生富
Cr
、富
M
〇的金属间析出相，这些有害的析出
相会导致材料内部产生贫
Cr
区和贫
Mo
区，对材料的
耐蚀性能产生极大的影响。蓝剑锋等[5i研究发现当温
度为950
X
；时，2507超级双相不锈钢中在在
a
/7相界
析出
a
相，之后随着温度升高，
ex
相逐渐溶解。
Hong
等[6]发现经900丈固溶处理的2507双相不锈钢组织
中生成的
a
相和％相会使材料的耐腐蚀能力显著下
降。
Marcelo
等[7]研究发现双相不锈钢中的
cr
相在
[基金项目]国家自然科学基金（
51774226);
陕西省重点研发计划项目（
N
〇
.2018ZDXM-GY-149)
资助
[通信作者]部德宁（1964-),教授，从事先进金属材料的研究与开发，电话：135****6380,
E
-
:
zoudening
@
第
54
卷
.
第
4
期
• 2021
年
4
月
1 160尤固溶处理后会完全溶解，而在凝固冷却过程中
〇•相又会以带状的形态析出；
Ha
等[8]研究发现双相不
锈钢的耐点蚀性随着其组织中铁素体含量的升高而降
低，且并且点蚀优先发生在《/7相界处并向奥氏体相
内扩展。
考虑到在实际工业生产中，2507超级双相不锈钢
铸坯不可避免地会面临冷却速率存在梯度差异的现
象，而冷速的不同会进一步对材料的组织与性能产生
影响，目前很少有人对连铸坯在实际生产过程中面临
的由于位置不同而导致的各处冷却速率不同、从而使
材料后续微观组织与性能出现差异的现象进行系统研
究。因此，本工作选取铸坯上具有典型代表的6个不
同部位的试样，对其微观组织结构演变及耐腐蚀性能
进行了系统的探究与分析，对该材料的生产工艺优化
及后期的应用提供了一定理论支撑。
75
验温度为30
T
。首先将初步打磨后的试样置于50
T
、25%的
HN
03溶液中预钝化1
h
,然后对试样进行封
装并用水砂纸打磨至2 000号，抛光后清洗表面，烘干
备用。试验选用的动电位极化曲线的测试电压区间为
-1.0~1_5
V
(
vsSCE
),扫描速度为0.5
mV
/
s
;交流阻抗
的正弦激励信号幅值为10
mV
，测试频率范围为100
kHz
〜10
mHz
,并利用
ZsimpWin
软件对交流阻抗谱进
行等效电路模型拟合。相同条件下每组试验至少重复
3次以确保其再现性。
2结果与讨论
2.1金相组织分析
图2为各不同取样位置试样的金相显微组织。图
2中黑色部分为
ex
析出相，灰色部分为
a
铁素体相，白
色部分为7奥氏体相。由图2中可以看到，无论是心
1试验材料与方法
试验材料选择铸态2507超级双相不锈钢，其化学
部还是边部，取样位置由上往下，冷却速率逐渐减小，
试样的显微组织中
a
析出相的含量逐渐增多;横向对
比同一水平高度的试样，边部试样的冷却速率大于心
部试样，同时边部试样显微组织中的(
T
析出相含量也
较少。
表1所示为各试样组织中
由表1可以看出冷却速率对
成分（质量分数，％)为：25.420 0
Cr
，3.700 0
Mo
,
0.640 0
Mn
,6.540 0
Ni
,0.016 0
C
,0.460 0
Si
,0.023 0
P
，0.268 0
N
，0.080 0
Cu
,0.000 5
S，Fe
余量。试样在铸
坯的取样位置如图1所示，由上到下试样的冷却速率
逐渐减小，从心部到边部冷却速率不断增大。
a
相与
ex
相所占比例。
a
相与
ex
相的比例变化
影响呈现出相反的趋势。冷速最慢的1-3试样组织
中
cr
相所占比例最多，
a
相所占比例偏少；冷速最快
的3-1试样组织中(
T
相所占比例少，
ot
相所占比例
最多。
表
1
编号
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢《相和〇■相比例
(T
相比例
/%a
相比例
/ %
编号
1.14
1.34
3.60
44.95
43.15
39.91
3-1
3-2
3-3
CT
相比例
/%a
相比例
/ %
0.26
0.41
0.89
57.63
56.28
54.25
1-1
1/2
处
图
1
边
1-2
1-3
超级双相不锈钢
2507
取样方案及编号
本工作所有试样均经线切割成10
mm
X
1〇
mm
X
10
mm
块状，金相腐蚀液配方为10%(质量分数，下同）
氢氧化钾，20%铁氰化钾与100
mL
蒸馏水，在80尤下
腐蚀4
min
。采用
2.2
SEM
形貌分析
为了进一步分析试样的显微组织，采用扫描电镜
SISC
IAS
V
8.0金相显微镜（
OM
)及
(
SEM
)
观察(
T
相含量最多的编号为
1-3
的
3
a
试样后，选
Gemini
SEM
300场发射扫描电子显微镜（
SEM
)观察并
表征试样的显微组织。再用
取析出相较为典型的区域进行
EDS
能谱分析。图
试样的
SEM
形貌及
EDS
面扫能谱。图
为
3
为
Image-Pro
图像分析软件
Gamry
+
Reference
600 +电
中深色部分
结合铁素体仪分析确定试样中的各相比例。电化学试
验在使用电脑和软件控制的
ex
析出相，灰色部分为
a
铁素体相，浅色部分为7奥
氏体相。从图3
a
中可以看到，〇■相从
a
/?相交界处开
始析出，并逐渐向着《相内部发展，直至占据整个
晶粒。由图
化学工作站上进行。试验采用三电极体系，以试样作
为工作电极,铀电极作为辅助电极，饱和甘汞电极作为
参比电极。腐蚀液选用浓度为3
a
相
3
b
~3
e
可以看到，奥氏体晶粒中富集
Ni
元
g/L
的
NaCl
溶液，试
素，(
J
相富集
Cr
和
Mo
元素。
(d ) 3-2
(e) 1-3
⑴
3-3
图
2
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢金相显微组织
(h) KDS
面扫
，Cr (c) F:DS
面扫
，Mo (d) F:DS
面扫
，O (f) EDS
面扫
，Ni
图
3 2507
超级双相不锈钢
SEM
形貌及
EDS
能谱
2.3
a
相的析出机理
采用
Thermo
-
Calc
热力学软件绘剂2507超级双相
不锈钢的凝固相图，温度区间为500~1 600尤，如图4
所示，图4中的
HCPCrN
表示密堆六方
CrN
。可以看
出，2507超级双相不锈钢在凝固冷却过程中，(
T
相开始
析出时的温度为1 006.1
t
，最大析出量为40.52%。
降低凝固冷却速率相当于延长了试样在
a
相析出温度
区间内的停留时间，因此
cr
相的析出量随着凝固冷速
第
54
卷
•
第
4
期
.2021
年
4
月
7T
的降低而增加[9]。
试样的凝固冷却速率越慢，组织中析出相的含量越高，
100
钝化区的范围也越小，说明钝化膜的稳定性随着试样
冷却速率的减慢而逐渐降低，导致钝化膜更容易被外
80
部侵蚀性离子破坏而发生腐蚀。
%/
6
4
0
0
藏
汆
劇
&
>
/
20
0
/TC
-
1.0
图
4 2507
超级双相不锈钢凝固相图
另一方面，2.2节中的
EDS
结果显示
tr
相富含
Cr
9 -8 -7 -6 -5 -4
和
Mo
元素，而
Ci
•和
Mo
都是铁素体相稳定元素，富集
lg[7/ ( A • cm 2)]
(a
)心部
于铁素体相内,所以当
cr
相在
a
/7的边界开始形核析
出以后,
Cr
和
Mo
元素会从铁素体相内向(
T
相处迁移，
这也是
cr
总是朝着铁素体相内长大的原因11(11。此外，
虽然
Ni
元素是奥氏体稳定元素，但
Ni
也会从另一个角
度促进
cr
相的析出[11’12]。这是由于
a
相中
Ci
■和
Mo
元素的富集使得其周边铁素体中
Ni
含量相对增加，这
种铁素体内部的局部区域
M
元素过饱和会使得铁素
体不稳定，从而转变为二次奥氏体72相;72相的析出又
使得其周围富
7 -6 -5
Ci
•和
Mo
并贫
Ni
,进而又会在72相的边
lg[7/ ( A • cm ) J
缘析出
CT
相，即可认为(
T
相的析出是按照(
X
—(7 + 72共
(b
)边部
析反应方式进行的，这一结果与表1中所示各试样的
a
图
5
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢动电位极化曲线
相和(
T
相含量的变化规律相吻合。
表2所示为不同冷却速率2507超级双相不锈
2.4不同冷却速率2507超级双相不锈钢的电化学极
钢的点蚀电位与自腐蚀电流密度。点蚀电位用来表
化曲线
征材料耐蚀性的强弱，自腐蚀电流密度用来表征材
卤素阴离子尤其是
cr
对不锈钢材料具有很强的
料腐蚀倾向的大小。可以看出，随着试样冷却速率
腐蚀性。当不锈钢处在具有一定浓度
cr
的环境中
的减小，点蚀电位逐渐降低，而自腐蚀电流密度逐渐
时，其表面会发生点腐蚀。
cr
会和氧在不锈钢表面
增大，材料钝化膜的溶解速率增大，耐蚀能力逐渐
进行竞争吸附，当不锈钢表面上氧的吸附点被
cr
所
减弱。
取代时，体系中会产生金属-羟-氯配合物，这种配合
表
2
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢
物水解后又会生成
cr
,继续与氧的竞争吸附反应，从
动电位极化相关参数
而导致不锈钢表面膜被破坏[13]。试样表面产生点蚀
试样编号
1-11-2
1-33-13-2
3-3
后，
cr
会在蚀坑的内部不断累积，基体金属发生水解
^corr/mV
0.5960.550.536
0.8530.8390.821
反应使蚀坑内的
pH
值不断降低，金属离子浓度上升，
•Zcor/-1)
13.710
17.93722.524
3.163
6.212
9.528
为了维持点蚀坑内外的电荷平衡，溶液中的
cr
会不
断穿过腐蚀产物向蚀坑内移动，进而促进了点蚀的
2.5不同冷却速率2
S
07超级双相不锈钢的电化学阻
发展[|4]0
抗谱
图5为
Mo
含量为3.7%的不同凝固冷却速率2507
图6所示为
Mo
含量为3.7%的不同冷却速率的
超级双相不锈钢的动电位极化曲线。从图5可以看
2507超级双相不锈钢的电化学交流阻抗图谱。阻抗谱
出，试样在电解质溶液中均存在典型的阳极钝化区，且
的弧度越大,说明材料的电化学阻抗越大，电荷转移的
7S
Vol.54 No.4 Apr. 2021
阻力越大，材料的耐蚀性越好[15]。从图6可以看出，随
着冷却速率的减小，交流阻抗谱曲线的弧度也逐渐减
小，表明随着冷却速率减小材料的耐蚀性也逐渐降低，
与极化曲线测试的结果一致。
—M
丨一1-2
(3)和式(4):
= =
Q(^y
(4)
式（3)和式（4)中，
F
为导纳;为
CPfi
电容,
fl_l
.
cm
-2
s
-n;
j
为虚数单位，
j
2 =-丨
；w
为角频率,
rad
/
S
;
n
为咖指数，
n
值一般小于1〇
‘ —
U
O
I
)
r
N
1-3
等效电路的总阻抗值见式(5):
10
ZJ
15
(a
)心部
20 25 30
式（5)中，为电解质溶液电阻;
尺,
为外层多孔钝化膜
电阻;认为钝化膜外层电容;/?2为钝化膜内层电阻;(?2
为钝化膜内层电容。
表3为不同冷却速率下2507超级双相不锈钢的
EIS
拟合数据。根据表3可见，溶液电阻较小，说明
( 10' n • cm2)
(
E
3
.
u
o
c
r
z
其对试验体系的影响较小;钝化膜内层电阻/?2的值远
大于外层电阻'，表明对不锈钢基体起主要保护作用
的为钝化膜内层;随着试样的凝固冷却速率的降低，
K
2
的值减小，内层钝化膜的电导率增加，保护能力减弱，
故试样的耐蚀性也随之降低。极化电阻值是评价金属
0 5 10 15 20 25 30 35
耐蚀性的重要参数，图7所示电路模型中，极化电阻
= 。由表3可知，随着试样凝固冷却速率的降
低,/?
P
值不断减小，说明试样的耐蚀性能逐渐减弱。此
外，的无量纲参数…和《2与钝化膜表面的均一性
和致密性有关，
n
值越大，说明材料表面存在的晶界、缺
陷和杂质等越少，即钝化膜的保护性能越好。从表3
中可以看出，^和值均随着试样凝固冷却速率的减
小而降低，即试样表面的钝化膜性能变差，对基体的保
护能力减弱。
表3
试样
编号
尺
sol
Z,,/ ( 10* fl • cm2)
(b
)边部
图
6
不同冷却速率
2507
超级双相不锈钢交流阻抗谱
选取如图7所示的等效电路模型(扒/?((?/〇))
对电化学阻抗谱图进行分析拟合，可以得到不同冷却
速率时2507超级双相不锈钢在试验溶液中的电化学
阻抗谱相关参数。
Q
,
不同冷却速率2
S
07超级双相不锈钢的
EIS
拟合数据
l-i
97.92
1-2
92.67
1-3
86.43
3-1
87.21
3-2
88.20
3-3
85.08
x 1(T6
-6
2.906x KT6 4.271 x 1(T6 4.54
〇
5.425X10'65.522xl
〇
-66.299xl
〇
n
0.856 8
871.5
0.852 8
777.6
0.835 2
713.1
0.895 7
5 926.0
0.886 2
2 450.0
0.875 8
1 368.0
其中等效电阻和常相位角原件的阻抗分别见
式（1)和式(2):
zr
=
R
R'
Qi
-6 1.562xl
〇
_5
2.298x10 s
-52.912xl
〇
_5
7.819xl
〇
2.303xl
〇
-52.794xl
〇
0.893 50.885 1
0.840 01.000 0
0.984 2
0.898 1
(1)
(2)
n2
R!
式
（1)
和式
（2)
中,
Z
模值。
R
YQ
3
和々分别为电阻和电容的阻抗
--—(
jw
)
6
8.368x10s
54.554x1
〇
6
1.562xl
〇
7.60
〇
xl
〇
55.002xl
〇
5
2.989xl
〇
3
结论
等效电阻
ft
和常相位角原件的导纳分别见式
(1)随着凝固冷却速率的降低，2507超级双相不
第
54
卷.第
4
期
• 2021
年
4
月
29
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a
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<
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