为了研究渗碳对2205双相不锈钢的显微组织、化学成分及性能的影响，对该钢进行了高温渗碳和固溶时效处理。结果表明：渗层由扩大的奥氏体和小块状铁素体组成。渗碳后奥氏体与铁素体内部有错综杂乱的位错缺陷，铁素体晶内有微量规则的析出相。再经过固溶时效处理，晶界处与晶内均有不同形状的碳化物析出。渗层的C、Cr含量升高，Fe含量降低，且渗层铁素体中的Cr、Mo含量要高于心部铁素体。由于渗层的奥氏体固溶了较多的碳元素，渗层的硬度高于心部组织，硬度从表面到心部有缓慢的过渡；渗碳前后耐蚀性未发生明显变化。
2205双相不锈钢中含有铁素体相与奥氏体相，且两相体积分数相当，具有优良的性能。既具备了铁素体相（α）优良的机械强度，又兼有奥氏体相（γ）的耐腐蚀性能，其成本低于具有相同耐蚀程度的FeCrNi基奥氏体不锈钢。因此，2205双相不锈钢在海事工程、海水淡化及化工等行业上的应用日益增加。双相不锈钢有卓越的耐蚀性，但硬度很低，耐磨性较差。早些年,镰田真一研究了低合金双相钢的渗碳行为，其主要研究抑制渗碳过程的晶粒粗化及Si含量对于低合金双相钢渗碳的影响。赵朔研究了2205双相钢的表面改性，利用等离子渗氮技术使双相钢表面获得渗氮层以提高双相钢的表面硬度和耐磨损性能，但也会由于析出CrN而造成贫Cr现象，从而降低其耐腐蚀性。Bell等人提出低温（500℃）渗氮可避免CrN析出，从而不影响其耐蚀性能，但CrN的析出强化效果也会消失，由固溶强化替代。低温渗氮（碳）方法有等离子渗氮、离子束氮化、离子注入、水平管式炉等。但低温渗氮或渗碳处理后的渗层深度一般较小，在几微米到几十微米之间，而高温渗碳可达到几百微米。本文主要研究了2205双相不锈钢高温渗碳后的组织与性能，并对渗碳后的试样进行固溶时效处理，探究其组织、化学成分与性能变化。
1试验材料与方法
试验材料2205双相不锈钢的化学成分如表1所示。试验钢在950℃渗碳4h，然后在1050℃固溶1h水冷，并在650℃时效处理4h。
分别将渗碳、固溶时效处理后的试样制备成金相试样，用水砂纸研磨后进行机械抛光，用20%NaOH溶液进行电解腐蚀。使用Nikon-MA100型金相显微镜进行光学显微分析;使用ZISSEVO-18型扫描电镜对渗碳后的试样进行化学成分分析；利用FEITecnaiG2F20型工作电压为200kV的透射电镜对微观组织结构及析出相进行观察；使用型号为EPMA-6000的电子探针设备进行化学成分分析；采用MVC-1000B维氏硬度计测量渗碳层剖面硬度,加载砝码300g，加载时间15s，步长0.1mm。电化学腐蚀试样用线切割取7mm×7mm×10mm的长方体后进行镶样，用砂纸研磨后机械抛光。电化学腐蚀设备为武汉电化学工作站动电位仪CS300，采用三电极动电位扫描。参比电极为标准饱和甘汞电极，辅助电极为铂电极，研究电极即为上述所做的试样。所用的试剂为质量分数为3.5%的NaCl溶液。试验的初始电位为-1V，终止点位1V，扫描速率0.5mV/s，采样频率为2Hz，以获得E-I的极化曲线。
2结果与讨论
2.1渗碳试样的组织结构
图1为2205双相钢渗碳试样的金相组织。图1（a）为从渗层到心部组织的全貌组织，图上部为渗层组织。铁素体以小块状分布于奥氏体晶界，奥氏体相的体积分数远远大于铁素体相，如图1（b）所示，而渗层与心部组织交接处的晶粒较为粗大。图1（c）为心部组织的金相，奥氏体晶粒大小不一，尺寸在20～100μm，可观察到晶界处平整洁净，并无明显的析出相。
图2为渗碳后试样的透射电镜照片。图2（a）为楔形晶界，晶界左侧区域为奥氏体晶粒，晶粒内部有错综复杂的位错缺陷；右侧下方为铁素体晶粒，晶粒内部分布着由于称度不同引起的等厚条纹。图2（b）为一个铁素体晶粒与其衍射花样，铁素体晶粒内部分布着错综杂乱的位错缺陷以及呈规则六边形形状的析出相颗粒，尺寸为1.5～2.5μm，经标定，析出相为晶带轴为Cr23C6，其晶格常数与铁素体基体呈1/3关系。晶粒中除了分布有错综杂乱的位错缺陷之外，还会出现成排分布的位错，如图2（c）所示。Cr23C6在铁素体而非在奥氏体中析出，这是因为铁素体中不仅含有有利于形核的位错缺陷，合金元素在铁素体中的扩散速率远比在奥氏体中得大，且Cr、Mo元素为铁素体形成元素，在铁素体中的含量大于在奥氏体中的含量，故Cr23C6相易在铁素体中析出。但析出相数量少，且尺寸小，所以在光学显微镜下并未看到。
2.2固溶时效后渗碳试样的组织结构
图3为渗碳后经过固溶时效处理试样的金相组织。图3（a）为从渗层到心部组织的全貌组织，图上部为渗层组织，向下依次为过渡组织、心部组织。图3（b）、（c）分别为500倍下渗层与心部的显微组织。经过固溶处理后的渗层组织与处理前并无明显区别，铁素体依然呈小块状分布于奥氏体晶界处。而心部组织在时效处理后发生了明显变化，奥氏体与铁素体晶界交界处析出大量碳化物，且向铁素体内部生长。奥氏体晶粒大小不均一。
图4为渗碳后经固溶时效处理试样的TEM组织及其衍射花样。在透射电镜下不仅观察到黑色长条状的Fe3C（图4（a）），还观察到位于晶界处的Cr23C6，Cr23C6与基体间的取向关系为立方-立方型，呈长条状（图4（b））或不规则粒状结构（图4（c）），相邻晶粒内分布有错综杂乱的位错缺陷。位错缺陷错综复杂的奥氏体晶粒内部也析出了Cr23C6，且析出相尺寸在0.25～0.5μm，远比晶界析出相要小，也比未经固溶时效处理渗碳试样的晶内析出相小（图2（b））。这是因为晶内析出的形核条件和生长条件都不如晶界。
2.3渗碳试样化学成分
图5为渗碳试样的探针试验元素分析结果。结合图5（b）、（e）所示，渗碳后奥氏体急剧扩大以固溶C[11-12]，所以C元素在渗碳层的含量较高，且从粗大的奥氏体晶粒处开始，随距表面的距离增大而降低。从Fe元素的面扫图可看出，奥氏体晶界处Fe含量低，渗层中的Fe元素含量较低（图5（f）），表明Fe与C元素结合形成Fe的碳化物[5]，在透射电镜下也观察到Fe3C的存在。Cr、Mo为铁素体形成元素，从图5（d）可看到，渗层奥氏体晶界处小块状铁素体富含Cr元素。表2为渗层与心部显微组织各相中合金元素的定量成分。心部铁素体的Cr、Mo元素比奥氏体中含量高，Fe、Ni元素恰恰相反。而在渗碳层中，也同样出现这种情况。但渗层组织中铁素体中Cr、Mo元素的含量比心部铁素体的Cr、Mo元素含量高。这是由于在渗碳过程中，试样表层奥氏体急剧增大以固溶C元素，而Cr、Mo等铁素体形成元素则向奥氏体晶界扩散，聚集到晶界处小块状的铁素体中。因此其在渗层组织铁素体中的含量比心部铁素体中的高。
2.4渗碳试样硬度
图6为2205双相不锈钢渗碳后未经处理与经过固溶时效处理试样的硬度。由于渗层固溶了碳元素，导致渗层比心部的固溶碳含量高，从而得到更高的硬度。随着距表层距离的增加，固溶碳含量不断下降，所以硬度也在不断降低。这种现象也可从组织方面解释：在渗层与心部组织的过渡区域，奥氏体晶粒粗大（图1（a）），这也会造成硬度降低。经过固溶时效处理后的试样硬度水平略有增加，最高硬度的增加尤为明显。经时效处理后，晶界处析出碳化物，有析出强化作用。
2.5电化学腐蚀
图7为2205双相不锈钢电化学腐蚀极化曲线。表3为根据图7按照Tafel关系拟合的结果。对比图7（a）、（c），渗碳前后未经固溶时效处理试样的自腐蚀电位均为-0.28V，说明发生腐蚀的可能性相当，耐蚀性未发生明显变化。而渗碳后的自腐蚀电流密度比未渗碳的稍大，说明发生腐蚀后的速度稍有加快（试样失去电子的倾向增大）。而经过固溶处理试样渗碳前后的电化学腐蚀结果图7（b）、（d）与未经固溶时效处理的类似。无论未渗碳还是渗碳试样，经过固溶时效处理试样的自腐蚀电位均比未处理的低，自腐蚀电流密度均比未处理得高。这表明经过时效处理后，由于在晶界处析出碳化物的影响，固溶Cr含量稍有降低，所以耐蚀性略有降低。
3结论
（1）2205双相不锈钢渗碳后的渗层组织由固溶C的扩大奥氏体组织和奥氏体晶界处小块状铁素体组成，从渗层向心部过渡的区域奥氏体晶粒尺寸明显增大。渗碳后奥氏体与铁素体内部有错综杂乱的位错缺陷，铁素体晶内有微量规则的析出相。经过固溶时效处理后奥氏体和铁素体交界处有长条状及粒状碳化物析出。
（2）2205双相不锈钢渗碳后的化学成分发生变化。渗层的C、Cr元素高于心部，而Fe元素含量则低于心部。且渗层与心部组织中各相的化学成分也有差异，渗层铁素体中Cr、Mo含量高于心部。
（3）渗碳后表层硬度增加，且从渗层向心部缓慢下降低。渗碳试样的耐蚀性未发生明显变化。无论未渗碳还是渗碳试样，经过固溶时效处理后，2205双相钢的耐蚀性降低。
