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真空熱處理對4145H模具鋼H2S腐蝕行為有什么影響?
來源: | 作者:東啟特鋼 | 發布時間: 2021-06-25 | 25 次瀏覽 | 分享到:
真空熱處理對4145H模具鋼H2S腐蝕行為有什么影響?

  真空熱處理對4145H模具鋼H2S腐蝕行為有什么影響?


  通過室內浸泡腐蝕試驗,研究了真空熱處理對4145H模具鋼抗H2S腐蝕性能的影響,并分析了其機理。用掃描電鏡觀察了4145H模具鋼真空熱處理和大氣熱處理后的顯微組織,用德國zahner電化學工作站測量了4145H鋼在H2S腐蝕環境下的極化曲線和電化學阻抗譜。結果表明,真空熱處理和常壓熱處理后的組織為回火金蓮花。樣品在H2S溶液中浸泡后的腐蝕類型為局部腐蝕,主要為點蝕。真空熱處理降低了樣品的表面活性和腐蝕電流密度。4145H鋼在H2S溶液中的陽極溶解動力學符合非催化機理,這是其H2S耐蝕性提高的主要原因。

模具鋼

  4145H模具鋼是鉆鋌鋼的一種,鉆鋌的使用條件很差,這就要求它具有良好的綜合力學性能。近年來,隨著石油資源的減少和鉆井深度的加深,H2S腐蝕失效已成為造成鉆鋌斷裂的主要原因。目前,學術界對鋼的H2S耐蝕性做了大量的研究。國外一些學者指出熱處理工藝對鋼的H2S耐蝕性有影響,其中鐵素體最強,馬氏體最弱。以往的研究也對鉆鋌鋼的各種性能做了相應的研究,但目前關于鉆鋌鋼抗硫化氫腐蝕能力的報道很少。因此,在真空熱處理和大氣熱處理對比的基礎上,研究了真空熱處理對4145H鉆鋌鋼在H2S腐蝕環境中腐蝕行為的影響。


  1.實驗


  1.1.實驗材料


  實驗材料為4145H鉆鋌鋼,化學成分見表1。實驗鋼經電弧爐冶煉、鑄造成型,按以下工藝鍛造:1200℃保溫2h,1150℃鍛造,950℃終鍛。鍛造樣品加工成50毫米×60毫米×120毫米的方形樣品。


  1.2.試液


  實驗所用的溶液為0.1mol/L的飽和硫化氫溶液,其中H2S氣體由硫化亞鐵和稀硫酸反應制得,用乙酸調節飽和硫化氫溶液的pH值,使實驗溶液的pH值最終為2。


  1.3.實驗法


  實驗鋼按照表2的工藝進行熱處理,真空熱處理的真空度為2.5×10-2Pa。熱處理后,用線切割機將樣品切割成10mm×10mm×4mm的電化學樣品。


  實驗鋼的熱處理工藝


  采用室內浸泡實驗模擬了石油開采過程中鉆鋌在硫化氫環境中的長期腐蝕??倢嶒灂r間為480小時,采樣周期分別為72、196、288、360和480小時。電化學測試采用德國zahner電化學工作站測試極化曲線和電化學阻抗。極化曲線掃描范圍為-0.25~0.5v,掃描速度為0.5mv/s,電化學阻抗測量范圍為0.1~1 MHz。


  2.結果和討論


  2.1.微觀結構和形態


  熱處理后樣品1#和2#的顯微組織和形貌。帶狀組織是帶狀馬氏體的特征,回火后未消除,是典型的回火金蓮晶?;鼗鹎象w是馬氏體中溫回火的產物。由于回火溫度未能達到馬氏體的再結晶溫度,回火后馬氏體的帶狀特征并未消失。這種結構稱為回火屈氏體結構。本實驗中的實驗材料含有一定量的合金元素,因此馬氏體晶粒的再結晶溫度提高,600℃以上回火后仍獲得回火的金蓮花組織。但這種顯微組織在實際生產中有時被稱為回火索氏體。


  2.2、極化曲線


  極化曲線是表征電流密度和電極電位之間關系的曲線。試驗結果表明,在試驗期間,極化過程的控制步驟是鋼表面的主動溶解,無論樣品1#還是樣品2#。此外,一些研究指出,金屬在強酸性溶液中的腐蝕主要是由于表面活性溶解??梢钥闯?,在實驗期間,樣品的腐蝕電流密度隨時間而增加,但樣品2#的腐蝕電流密度明顯低于樣品1#,并且根據法拉第定律,其腐蝕速率也低于樣品1#。采用弱極化區四點法計算腐蝕電流密度,結果用二次函數擬合。擬合曲線表明,樣品1#腐蝕電流密度的變化規律符合函數y=-6.51+0.01x-8.36×10-6 x2,符合率為93.7%。樣品2#的腐蝕電流密度變化規律服從函數y=-6.31+0.006x-3.58×10-6 x2,符合度為98.1%。同時計算了陽極的tafel斜率,樣品1#的βa1=14.29mV,樣品2#的βA2為24.7 mV..


  2.3.電化學阻抗光譜學


  腐蝕288 h和360h后的電化學阻抗譜(EIS)能量qvist,直觀上可以通過容抗弧的曲率半徑來測量被測樣品的耐蝕性??梢钥闯?,樣品2#的容抗弧曲率半徑明顯大于樣品1#。因此,樣品2#的阻抗大于樣品1#的阻抗,這與上述腐蝕電流密度的結果一致。


  同樣,電化學阻抗復平面中高頻和低頻的形狀也代表了腐蝕過程中的不同現象??梢姼哳l區存在類電感波動,學術界尚未確定。有學者將其解釋為電感,也有人認為是測試系統的波動造成的。而對于低頻區,出現明顯的感應電弧,說明試樣表面開始出現點蝕,點蝕處于感應期。并且隨著時間的推移,樣品1#的感應電弧有增大的趨勢,表明點蝕不斷發生和發展。但是,雖然樣品有形成感抗電弧的趨勢,但在低頻區并不像樣品那樣明顯。這說明樣品表面的點蝕相對較小且較淺,點蝕的發展沒有實驗期樣品嚴重。


  對于點蝕的形成,有學者認為,在一定條件下,鋼在酸中也能形成點蝕;也有學者指出,Cl-濃度也是造成點蝕的重要原因。本實驗點蝕的形成可能與夾雜物、晶體缺陷或pH值的綜合作用有關。


  2.4、機理分析


  目前對鋼在酸性溶液中陽極溶解機理的分析主要集中在非催化機理和催化機理上。催化機制和非催化機制的主要區別在于鋼的表面活性,即鋼表面位錯等缺陷的密度。如果鋼的表面活性弱,位錯密度小,則符合非催化機制;相反符合催化機理。


  對于非催化機構,一般認為鐵的主動溶解符合以下反應機理:


  Fe+H2O和Fe(H2O)ad(1)


  Fe(H2O)ad→FeOH++e(2)


  FeOH++H+zhenfe2++H2O(3)


  在該反應機理中,式(1)和式(3)以非??斓乃俣韧瓿?,而式(2)的反應速度慢得多,因此式(2)是上述反應機理的控制步驟。那么全鐵主動溶解的腐蝕電流主要與式(2)的反應速率有關。根據能斯特方程、法拉第定律和反應速率常數k值的計算公式,推導出陽極腐蝕電流密度的表達式:


  真空熱處理對4145H鋼H2S腐蝕行為的影響


  其中:Ia為陽極腐蝕電流密度;f為法拉第常數;αH為氫離子活性;K1是式(1)的順式反應速率常數;K-1是式(1)的逆反應速率常數;K2是式(2)的順式反應速率常數;e為樣品自腐蝕電位;r是熱力學常數;t是開爾文溫度;a是對稱系數。


  根據上述公式,我們很容易看出,非催化機制下鋼的陽極溶解反應是一級反應。對于酸溶液中的鋼,許多實驗表明其對稱系數a≈0.5,所以本文取a=0.5。此外,根據tafel公式,陽極tafel的斜率βa可以很容易地計算為17mv。對于催化機構,學術界還沒有形成統一的認識。曹楚南認為,這種情況應符合以下反應機制:


  Fe+H2O,Fe(H2O)ad(5)


  Fe(H2O)ad是Fe(OH-)+H+(6)


  Fe(OH-)深圳(FeOH)ad+e(7)


  2(FeOH)ad→FeOH++Fe(OH-)ad(8)


  FeOH++H,Fe2++H2O(9)


  對于這個反應機制,曹楚南認為公式(8)是它的控制步驟。催化機理下的主動溶解腐蝕電流方程如下:


  真空熱處理對4145H鋼H2S腐蝕行為的影響


  對方程進行上述處理,計算出催化機理下陽極的tafel斜率βa=12.4mV。


  根據前述,樣品1#的βa為14.3毫伏,樣品2#的βa為24.7毫伏..可以看出,樣品1#的β值與上述催化機理的計算結果相似,βa=12mV,因此樣品1#的陽極溶解機理符合催化機理。但樣品2#的β值與非催化機理相似,因此樣品2#符合非催化機理。事實上,真空熱處理有利于鋼中氣體的去除。此外,由于樣品在真空中的加熱沒有常壓環境中的加熱復雜,而且樣品表面沒有氧化,所以樣品內外加熱更加均勻,畸變減少,真空熱處理后的樣品符合非催化機理。


  3.結論


  (1)在實驗條件下,4145H鋼在濕H2S環境中的腐蝕主要是點蝕。


  (2)實驗期真空熱處理后樣品的腐蝕電流密度明顯小于未真空熱處理樣品,擬合真空熱處理后樣品的腐蝕電流密度服從函數y=-6.51+0.01x-8.36×10-6 x2。常壓處理樣品的腐蝕電流密度服從函數y=-6.31+0.006x-3.58×10-6 x2。


  (3)真空熱處理可以降低4145H鋼的畸變,使陽極溶解過程符合非催化機制,這是真空熱處理后4145H鋼腐蝕電流密度降低的主要原因。


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