一种显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法与流程

本发明属于金相组织观察技术领域，具体涉及一种显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法。

背景技术：

氮作为一种重要的合金元素加入马氏体不锈钢中，通过与其它元素(cr、mn等)的协同作用，在显著提高不锈钢强度的同时，并不降低其韧性，还能大幅度增强其耐磨和耐腐蚀性能。因此，高氮马氏体不锈钢作为一种重要的工程材料，在航空、航天、电力、医疗器械和刀具等领域有广阔的应用前景。

热处理工艺能显著影响高氮马氏体不锈钢的组织和性能。淬火是热处理过程中非常重要的环节，决定了析出相的数量与分布、残余奥氏体含量和原始奥氏体晶粒尺寸。原始奥氏体晶粒尺寸对钢的力学性能和耐腐蚀性能有很大的影响，晶粒粗大往往降低钢的冲击韧性、抗疲劳寿命和耐腐蚀性能。因此，有必要合理控制高氮马氏体不锈钢的原始奥氏体晶粒尺寸。但是，氮元素的添加使高氮马氏体不锈钢具有优异的耐腐蚀性能，传统马氏体不锈钢的腐蚀剂不能很好地显示高氮马氏体不锈钢的原始奥氏体晶界，无法测量评定其晶粒尺寸。因此，找到一种能够清楚显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法具有重要意义，可为此类钢种制定合理的热处理制度提供依据，从而有效地控制原始奥氏体晶粒大小并获得优异的组织和性能。

专利cn201410255299.5公开了一种清晰显示9-12％cr耐热钢原始奥氏体晶界的金相腐蚀方法，该发明采用腐蚀剂为55-65％的硝酸水溶液，可十分清晰地显示9-12％cr耐热钢原始奥氏体晶界。专利cn200710193134.x公开了一种显示gcr15原始奥氏体晶粒边界的金相腐蚀方法，该发明通过苦味酸、十二烷基苯磺酸钠、氯化铁和蒸馏水配成腐蚀液，可清晰显示出淬回火状态下gcr15轴承钢原始奥氏体晶粒的边界。然而，查阅目前公开发表的文献资料和专利，关于高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法鲜有报道。另外，现有的腐蚀方法，有些不能腐蚀高氮马氏体不锈钢，有些优先腐蚀板条马氏体组织，原始奥氏体晶界未显示或不完整，均达不到测量评定晶粒尺寸的目的。

因此，本发明旨在提供一种能清晰地显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法，用于高氮马氏体不锈钢淬火后原始奥氏体晶粒尺寸的测量评定，为此类钢种制定合理的热处理制度提供技术支撑。

技术实现要素：

本发明提供的一种显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法，能够清晰、完整地显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界，用于高氮马氏体不锈钢淬火后原始奥氏体晶粒尺寸的测量评定，为此类钢种制定合理的热处理制度提供依据，从而能够有效地控制高氮马氏体不锈钢的原始奥氏体晶粒尺寸并获得优异的组织和性能。

本发明提供的一种显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法，所适用高氮马氏体不锈钢的成分范围为：c：0.2～0.6％，si：≤1.0％，mn：≤1.0％，cr：15.0～18.0％，mo：0.5～1.5％，n：0.25～0.5％，fe：余量。

一种显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法，包括以下步骤：

(1)金相试样制备：

利用线切割机在高氮马氏体不锈钢上切取试样，经过淬火后，将待测试样的检测面用常规方法粗磨、细磨、抛光，使其检测面光亮无任何划痕、凹坑以及污点等缺陷后，用无水乙醇冲洗并吹干。

(2)腐蚀剂配制：

本发明所采用腐蚀方法包括两种腐蚀溶液，具体如下：

(i)腐蚀溶液一：包含蒸馏水、硫酸铁、高锰酸钾和硫酸；其中硫酸铁的质量分数为0.5～1.5％，高锰酸钾的质量分数为2.5～4.5％，硫酸的质量分数为7.5～12.5％，余量为蒸馏水。

(ii)腐蚀溶液二：包含蒸馏水、柠檬酸和草酸；其中柠檬酸的质量分数为4～8％，草酸的质量分数为6～10％，余量为蒸馏水。

(3)金相腐蚀：

本发明所采用的腐蚀方法分为两步，具体如下：

(i)将装有腐蚀溶液一的容器放入65～75℃水浴锅中加热；待温度均匀后将步骤(1)处理后的待测试样的抛光面向上置入腐蚀溶液一，恒温浸蚀20～50min，待测试样的抛光面出现锈蚀时取出，用流动水冲洗；

(ii)用干净的棉花蘸取腐蚀溶液二，轻轻擦拭第一步腐蚀处理后待测试样的抛光面，并用流动水冲洗；反复进行擦拭，直至测试样的抛光面呈现银灰色，之后用无水乙醇洗净吹干；最后在金相显微镜下进行原始奥氏体晶粒观察。

本发明中蒸馏水为溶剂，高锰酸钾和硫酸铁为阴极去极化剂，能促进晶界贫铬区的电化学反应。硫酸可溶解腐蚀产物并消除高氮马氏体不锈钢表面的钝化膜，降低其耐腐蚀性能。此外，由于高氮马氏体不锈钢具有很强的耐蚀性，提高温度和降低ph值能减弱其耐蚀性能，但硫酸浓度过高会提高高氮马氏体不锈钢的钝化倾向，而且温度过高会使腐蚀剂挥发严重，因此需要将硫酸浓度和温度控制在合理范围。硫酸铁可抑制不锈钢在酸性溶液中的均匀腐蚀，通过调整硫酸铁和硫酸的组成，可以抑制酸对晶粒内的腐蚀，而仅腐蚀晶界贫铬区。柠檬酸和草酸是还原剂，可以有效去除试样表面的腐蚀产物和沉积物。配合使用两种腐蚀溶液，可以达到清晰显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界但不显示板条马氏体组织的目的。

本发明的有益效果为：提供的两步法显示高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界的腐蚀方法，可以清晰显示淬火状态下高氮马氏体不锈钢原始奥氏体晶界，用于测量评定其晶粒尺寸，为此类钢种制定合理的热处理制度提供技术支撑。

附图说明

图1为实施例1采用本发明显示出的经1000℃淬火后的高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n原始奥氏体晶粒图。

图2为实施例1采用本发明显示出的经1020℃淬火后的高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n原始奥氏体晶粒图。

图3为实施例1采用本发明显示出的经1050℃淬火后的高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n原始奥氏体晶粒图。

图4为实施例1采用本发明显示出的经1100℃淬火后的高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n原始奥氏体晶粒图。

图5为实施例1不同淬火温度下高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n的原始奥氏体晶粒尺寸变化趋势图。

图6为对比实施例1采用苦味酸、氯化铁、盐酸、酒精溶液腐蚀所得高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n(淬火温度1050℃)的金相图。

图7为对比实施例1采用60％硝酸溶液腐蚀所得高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n(淬火温度1050℃)的金相图。

图8为采用本发明显示出的经1020℃淬火后的高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn原始奥氏体晶粒图。

图9为实施例2采用本发明显示出的经1060℃淬火后的高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn原始奥氏体晶粒图。

图10为实施例3采用本发明显示出的经1060℃淬火后的高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn原始奥氏体晶粒图

图11为实施例4采用本发明显示出的经1060℃淬火后的高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn原始奥氏体晶粒图

具体实施方式

根据具体实施例对本发明作更详细的描述，但本发明使用范围并不限定在以下实施例中。

实施例1

本实例中高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n试样的化学成分见表1。

表1高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n试样的化学成分(wt％)

本实例所述的高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n由25kg加压感应炉熔炼制备。首先将铸锭在1050～1150℃内锻造成直径为80mm的圆棒，之后在800℃保温6小时后随炉冷却到室温。

(1)金相试样制备：

利用线切割机在高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n圆棒上切取尺寸为10mm×10mm×5mm的待测试样，经过不同温度淬火并油冷后(淬火温度分别为1000℃、1020℃、1050℃和1100℃，保温55～60min)，将待测试样检测面经粗磨、细磨、抛光，使检测面光亮无任何划痕、凹坑以及污点等缺陷后，用无水乙醇冲洗并吹干。

(2)腐蚀剂配制：

本发明所采用腐蚀方法包括两种腐蚀溶液，具体如下：

(i)腐蚀溶液一：在94ml蒸馏水中加入0.8g硫酸铁和3.5g高锰酸钾，并用玻璃棒不断搅拌直至完全溶解；之后，在硫酸铁和高锰酸钾的水溶液中加入6ml质量分数为98％的浓硫酸，用玻璃棒搅拌均匀；其中硫酸铁的质量分数为0.73％、高锰酸钾的质量分数为3.2％、硫酸的质量分数为10.1％；

(ii)腐蚀溶液二：在100ml蒸馏水中加入5g柠檬酸和10g草酸，并用玻璃棒不断搅拌直至完全溶解，配制成柠檬酸质量分数为4.3％、草酸质量分数为8.7％的溶液。

(3)金相腐蚀：

本发明所采用的腐蚀方法分为两步，具体如下：

(i)将装有腐蚀溶液一的容器放入70℃水浴锅中加热；温度均匀后将步骤(1)处理后的待测试样的抛光面向上置入腐蚀溶液一，恒温浸蚀40min，待抛光面出现锈蚀时取出，用流动水冲洗；

(ii)用干净的棉花蘸取腐蚀溶液二，轻轻擦拭第一步腐蚀处理后的待测试样的抛光面，并用流动水冲洗；反复进行擦拭，直至测试样的抛光面呈现银灰色，后用无水乙醇洗净吹干；最后在olympusdsx510金相显微镜下进行原始奥氏体晶粒观察。

图1、图2、图3和图4分别为高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n经过不同温度淬火并油冷后(淬火温度分别为1000℃、1020℃、1050℃和1100℃，保温55～60min)的原始奥氏体晶粒图。由图可见，测试样晶界清晰完整，达到测量评定晶粒尺寸的要求，可以为该钢种制定合理的热处理制度提供依据。图5为不同淬火温度下高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n的原始奥氏体晶粒尺寸变化趋势图。

对比实施例1采用苦味酸、氯化铁、盐酸和酒精配制的溶液作为腐蚀液

(1)金相试样制备：

利用线切割机在高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n圆棒上切取尺寸为10mm×10mm×5mm的待测试样，经过淬火并油冷后(淬火温度为1050℃，保温55～60min)，将待测试样的检测面经粗磨、细磨、抛光，使待测试样检测面光亮无任何划痕、凹坑以及污点等缺陷后，用无水乙醇冲洗并吹干。

(2)腐蚀剂配制：

在25ml质量分数为36～38％的浓盐酸中加入1g苦味酸和5g氯化铁，用玻璃棒不断搅拌，直至苦味酸和氯化铁全部溶解；然后在苦味酸和氯化铁的盐酸溶液中加入50ml无水乙醇，用玻璃棒搅拌均匀。

(3)金相腐蚀：

将步骤(1)处理后的待测试样的抛光面向上置入腐蚀溶液，常温浸蚀15s，测试样的抛光面呈现银灰色时取出，用流动水冲洗，后用无水乙醇洗净吹干；最后在olympusdsx510金相显微镜下进行原始奥氏体晶粒观察，试样观察面的金相图如附图6所示。

测试样的原始奥氏体晶界未显示，呈现的是板条马氏体组织，达不到测量评定晶粒尺寸的要求。

对比实施例1采用60％的硝酸水溶液作为腐蚀液

(1)金相试样制备：

利用线切割机在高氮马氏体不锈钢30cr15mo1n圆棒上切取尺寸为10mm×10mm×5mm的待测试样，经过淬火并油冷后(淬火温度为1050℃，保温55～60min)，将待测试样的检测面经粗磨、细磨、抛光，使待测试样检测面光亮无任何划痕、凹坑以及污点等缺陷后，用无水乙醇冲洗并吹干。

(2)腐蚀剂配制：

在40ml蒸馏水中加入60ml浓硝酸，用玻璃棒搅拌均匀；

(3)金相腐蚀：

将步骤(1)处理后的待测试样的抛光面向上置入腐蚀溶液，常温浸蚀10min后取出，用流动水冲洗，后用无水乙醇洗净吹干；最后在olympusdsx510金相显微镜下进行原始奥氏体晶粒观察，试样观察面的金相图如附图7所示。

图片中仅显示出钢中的夹杂物，并未出现板条马氏体组织和原始奥氏体晶界。所以，此种腐蚀剂不能腐蚀耐腐蚀性能优异的高氮马氏体不锈钢，达不到测量评定晶粒尺寸的目的。

实施例2

本实例中高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn试样的化学成分见表2。

表2高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn试样的化学成分(wt％)

本实例所述的高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn由25kg加压感应炉熔炼制备。首先将铸锭在1060～1160℃内锻造成直径为80mm的圆棒，之后在800℃保温6小时后随炉冷却到室温。

(1)金相试样制备：

利用线切割机在高氮马氏体不锈钢55cr18mo1v圆棒上切取尺寸为10mm×10mm×5mm的待测试样，经过不同温度淬火并油冷后(淬火温度分别为1020℃、1060℃，保温55～60min)，将待测试样的检测面经粗磨、细磨、抛光，使检测面光亮无任何划痕、凹坑以及污点等缺陷后，用无水乙醇冲洗并吹干。

(2)腐蚀剂配制：

本发明所采用腐蚀方法包括两种腐蚀溶液，具体如下：

(i)腐蚀溶液一：在93ml蒸馏水中加入1g硫酸铁和4.5g高锰酸钾，并用玻璃棒不断搅拌直至完全溶解；之后，在硫酸铁和高锰酸钾的水溶液中加入7ml质量分数为98％的浓硫酸，用玻璃棒搅拌均匀；其中硫酸铁的质量分数为0.9％、高锰酸钾的质量分数为4％、硫酸的质量分数为11.5％；

(ii)腐蚀溶液二：在100ml蒸馏水中加入6g柠檬酸和9g草酸，并用玻璃棒不断搅拌直至完全溶解，配制成柠檬酸质量分数为5.2％、草酸质量分数为7.8％的溶液。

(3)金相腐蚀：

本发明所采用的腐蚀方法分为两步，具体如下：

(i)将装有腐蚀溶液一的容器放入70℃水浴锅中加热；温度均匀后将步骤(1)处理后的待测试样的抛光面向上置入腐蚀溶液一，恒温浸蚀35min，待抛光面出现锈蚀时取出，用流动水冲洗；

(ii)用干净的棉花蘸取腐蚀溶液二，轻轻擦拭第一步腐蚀处理后的待测试样的抛光面，并用流动水冲洗；反复进行擦拭，直至测试样的抛光面呈现银灰色，后用无水乙醇洗净吹干；最后在olympusdsx510金相显微镜下进行原始奥氏体晶粒观察。

图8和图9分别为高氮马氏体不锈钢55cr18mo1v经过不同温度淬火并油冷后(淬火温度分别为1020℃和1060℃，保温55～60min)的原始奥氏体晶粒图。由图可见，测试样的晶界清晰完整，达到测量评定晶粒尺寸的要求，可以为该钢种制定合理的热处理制度提供依据。

实施例3

本实例中高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn试样的化学成分见表2。

表2高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn试样的化学成分(wt％)

本实例所述的高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn由25kg加压感应炉熔炼制备。首先将铸锭在1060～1160℃内锻造成直径为80mm的圆棒，之后在800℃保温6小时后随炉冷却到室温。

(1)金相试样制备：

利用线切割机在高氮马氏体不锈钢55cr18mo1v圆棒上切取尺寸为10mm×10mm×5mm的待测试样，经过淬火并油冷后(淬火温度为1060℃，保温55～60min)，将待测试样的检测面经粗磨、细磨、抛光，使检测面光亮无任何划痕、凹坑以及污点等缺陷后，用无水乙醇冲洗并吹干。

(2)腐蚀剂配制：

本发明所采用腐蚀方法包括两种腐蚀溶液，具体如下：

(i)腐蚀溶液一：在88ml蒸馏水中加入0.5g硫酸铁和2.5g高锰酸钾，并用玻璃棒不断搅拌直至完全溶解；之后，在硫酸铁和高锰酸钾的水溶液中加入4.1ml质量分数为98％的浓硫酸，用玻璃棒搅拌均匀；其中硫酸铁的质量分数为0.51％、高锰酸钾的质量分数为2.5％、硫酸的质量分数为7.6％；

(ii)腐蚀溶液二：在90ml蒸馏水中加入4g柠檬酸和6g草酸，并用玻璃棒不断搅拌直至完全溶解，配制成柠檬酸质量分数为4％、草酸质量分数为6％的溶液。

(3)金相腐蚀：

本发明所采用的腐蚀方法分为两步，具体如下：

(i)将装有腐蚀溶液一的容器放入65℃水浴锅中加热；温度均匀后将步骤(1)处理后的待测试样的抛光面向上置入腐蚀溶液一，恒温浸蚀20min，待抛光面出现锈蚀时取出，用流动水冲洗；

(ii)用干净的棉花蘸取腐蚀溶液二，轻轻擦拭第一步腐蚀处理后的待测试样的抛光面，并用流动水冲洗；反复进行擦拭，直至测试样的抛光面呈现银灰色，后用无水乙醇洗净吹干；最后在olympusdsx510金相显微镜下进行原始奥氏体晶粒观察。

图10为高氮马氏体不锈钢55cr18mo1v经过淬火并油冷后(淬火温度为1060℃，保温55～60min)的原始奥氏体晶粒图。由图可见，测试样的晶界清晰完整，达到测量评定晶粒尺寸的要求，可以为该钢种制定合理的热处理制度提供依据。

实施例4

本实例中高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn试样的化学成分见表2。

表2高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn试样的化学成分(wt％)

本实例所述的高氮马氏体不锈钢55cr18mo1vn由25kg加压感应炉熔炼制备。首先将铸锭在1060～1160℃内锻造成直径为80mm的圆棒，之后在800℃保温6小时后随炉冷却到室温。

(1)金相试样制备：

利用线切割机在高氮马氏体不锈钢55cr18mo1v圆棒上切取尺寸为10mm×10mm×5mm的待测试样，经过淬火并油冷后(淬火温度为1060℃，保温55～60min)，将待测试样检测面经粗磨、细磨、抛光，使检测面光亮无任何划痕、凹坑以及污点等缺陷后，用无水乙醇冲洗并吹干。

(2)腐蚀剂配制：

本发明所采用腐蚀方法包括两种腐蚀溶液，具体如下：

(i)腐蚀溶液一：在82ml蒸馏水中加入1.5g硫酸铁和4.5g高锰酸钾，并用玻璃棒不断搅拌直至完全溶解；之后，在硫酸铁和高锰酸钾的水溶液中加入6.8ml质量分数为98％的浓硫酸，用玻璃棒搅拌均匀；其中硫酸铁的质量分数为1.5％、高锰酸钾的质量分数为4.5％、硫酸的质量分数为12.4％；

(ii)腐蚀溶液二：在82ml蒸馏水中加入8g柠檬酸和10g草酸，并用玻璃棒不断搅拌直至完全溶解，配制成柠檬酸质量分数为8％、草酸质量分数为10％的溶液。

(3)金相腐蚀：

本发明所采用的腐蚀方法分为两步，具体如下：

(i)将装有腐蚀溶液一的容器放入75℃水浴锅中加热；温度均匀后将步骤(1)处理后的待测试样的抛光面向上置入腐蚀溶液一，恒温浸蚀50min，待抛光面出现锈蚀时取出，用流动水冲洗；

(ii)用干净的棉花蘸取腐蚀溶液二，轻轻擦拭第一步腐蚀处理后的待测试样的抛光面，并用流动水冲洗；反复进行擦拭，直至测试样的抛光面呈现银灰色，后用无水乙醇洗净吹干；最后在olympusdsx510金相显微镜下进行原始奥氏体晶粒观察。

图11分别为高氮马氏体不锈钢55cr18mo1v经过淬火并油冷后(淬火温度为1060℃，保温55～60min)的原始奥氏体晶粒图。由图可见，测试样的晶界清晰完整，达到测量评定晶粒尺寸的要求，可以为合理的热处理制度提供依据。