304H彈簧鋼絲及彈簧表面腐蝕的原因

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(1.永興特種不銹鋼股份有限公司，湖州313005；2.北京科技大學(xué)工程技術(shù)研究院，北京 100083)

0 引 言

與其他不銹鋼相比，304H彈簧鋼的碳含量較高，具有較高的強(qiáng)度，適用于制造高強(qiáng)度彈簧[1-2]；同時(shí)304H彈簧鋼是一種奧氏體不銹鋼，具有良好的耐腐蝕性能，其制造的彈簧適用于對(duì)腐蝕性能要求較高的環(huán)境。目前，國(guó)內(nèi)彈簧生產(chǎn)廠家測(cè)304H彈簧鋼絲或彈簧耐腐蝕性能的方法主要為飽和次氯酸鈉溶液浸泡試驗(yàn)，即將鋼絲或彈簧在飽和次氯酸鈉溶液中進(jìn)行24 h的半浸泡試驗(yàn)，肉眼觀察其腐蝕情況。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)飽和次氯酸鈉溶液浸泡后鋼絲或彈簧銹蝕的主要原因包括盤條上存在黑線、線縫等缺陷，盤條酸洗后表面沒有徹底干燥，拉絲過程中表面拉絲粉的污染等[3]。拉絲粉的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為17.78C，53.25O，0.31Mg,0.29Al,0.25Si,0.25K,25.27Ca,2.60Ti。

寧波沿海某彈簧生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的鋼絲及彈簧采用規(guī)格為φ5.5 mm的304H鋼盤條，通過冷抽、固溶、精抽、回火等工藝加工而成，經(jīng)過飽和次氯酸鈉溶液浸泡，并在室內(nèi)放置一段時(shí)間后，發(fā)現(xiàn)個(gè)別鋼絲及彈簧表面局部出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象，且這種現(xiàn)象集中出現(xiàn)在天氣炎熱的夏天。為找到304H彈簧鋼絲及彈簧銹蝕的原因，作者對(duì)其進(jìn)行了失效分析。

1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果

1.1 宏觀形貌

由圖1可以看出，經(jīng)飽和次氯酸鈉溶液浸泡并放置一段時(shí)間后，鋼絲及彈簧表面局部出現(xiàn)黑色銹跡，即出現(xiàn)了銹蝕現(xiàn)象，而未銹蝕區(qū)域表面呈正常的銀白色。

1.2 微觀形貌

在鋼絲及彈簧的銹蝕位置，沿鋼絲徑向、彈簧絲軸向截取試樣，采用EVO18型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察截面形貌。由圖2可以看出，鋼絲及彈簧銹蝕部位的內(nèi)部、內(nèi)部表面和次表面均未發(fā)現(xiàn)夾雜物或其他異物。

圖1 銹蝕鋼絲與彈簧的宏觀形貌Fig.1 Macroscopic cross morphology of rusty steel wire (a) and spring (b)

圖2 鋼絲和彈簧銹蝕部位截面微觀形貌Fig.2 Microscopic section morphology of rusty part of steel wire (a) and spring (b)

圖3 鋼絲銹蝕部位截面的顯微組織Fig.3 Microstructure on cross section of rusty part of steel wire

在鋼絲的銹蝕部位截取試樣，經(jīng)質(zhì)量分?jǐn)?shù)65%的硝酸溶液電解腐蝕后，采用EVO18型掃描電子顯微鏡觀察截面顯微組織。由圖3可以看出，鋼絲銹蝕部位截面的晶粒度均勻，晶粒尺寸為10～20 μm，為正常顯微組織。

1.3 化學(xué)成分

采用EVO18型掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀(EDS)對(duì)鋼絲表面含銹蝕區(qū)域進(jìn)行元素面分析。由圖4可以看出，鋼絲銹蝕處存在鋅元素，未銹蝕處沒有鋅元素。304H彈簧鋼不含鋅元素，這說明鋅元素是由外來污染造成的。因此，304H彈簧鋼鋼絲銹蝕可能是由鋅元素的污染導(dǎo)致的采用EVO18型掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀(EDS)對(duì)鋼絲和彈簧銹蝕和未銹蝕處進(jìn)行成分分析。由圖5和表1可以看出：鋼絲銹蝕處鋅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)7.77%；未銹蝕處不存在鋅元素，但存在的一定量的氧元素和較高含量的鉻元素，這是由拉絲粉的污染造成的。由此可見，鋼絲銹蝕主要是由鋼絲表面鋅元素的污染造成的。

圖4 鋼絲銹蝕區(qū)域的SEM形貌和面掃描結(jié)果Fig.4 SEM morphology (a) and surface scanning results (b-g) of the rusty zone of steel wire

圖5 鋼絲銹蝕處和未銹蝕處能譜分析的位置Fig.5 Energy spectrum analysis positions of rusty and unrusty parts of the steel wire

表1 鋼絲銹蝕處和未銹蝕處(如圖5所示)的能譜分析結(jié)果Table 1 Energy spectrum analysis results of rusty and unrusty parts of the steel wire (as shown in Fig.5) %

由圖6和表2可以看出:彈簧銹蝕處銅元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到6.88%，而未銹蝕部位不含銅元素，可見彈簧銹蝕是由銅元素污染造成的; 彈簧表面的鈣、氧、鈦元素主要來源于拉絲粉。

圖6 彈簧銹蝕處和未銹蝕處能譜分析的位置Fig.6 Energy spectrum analysis positions of the rusty and unrusty parts of the spring

表2 彈簧銹蝕處和未銹蝕處(如圖6所示)的能譜分析結(jié)果Table 2 Energy spectrum analysis results of the rusty and unrusty parts of the spring (shown in Fig.6) %

2 腐蝕原因分析及措施

在304H彈簧鋼絲及彈簧表面沾染鋅或銅元素后，在夏天天氣潮濕的條件下，鋼絲或彈簧表面會(huì)形成一層水膜，這層水膜將鋅或銅與基體固溶體連接在一起，電子會(huì)發(fā)生移動(dòng)；由于基體固溶體的電位較高，鋅或銅的電位較低，電子由低電位向高電位移動(dòng)而形成以基體固溶體為陰極、鋅或銅為陽極的微電池。在放置過程中鋼絲及彈簧表面發(fā)生析氧腐蝕，生成氧氣，使金屬內(nèi)部電子持續(xù)發(fā)生定向移動(dòng)，從而促使電位較低的金屬發(fā)生腐蝕，即陽極溶解現(xiàn)象[4-5]。

對(duì)現(xiàn)場(chǎng)可能產(chǎn)生鋅、銅元素污染的設(shè)備及工藝進(jìn)行排查。在盤條精整過程中，打包機(jī)橫軸材料為銅合金，并且在現(xiàn)場(chǎng)發(fā)現(xiàn)打包后的盤條表面有沾染銅的情況，如圖7所示。在盤條拉線過程中發(fā)現(xiàn)，拉絲輪表面的鍍鋅層有破裂點(diǎn)。針對(duì)上述問題，將現(xiàn)場(chǎng)打包機(jī)橫軸材料更換成有機(jī)樹脂，同時(shí)對(duì)拉絲輪進(jìn)行定期檢查，避免出現(xiàn)鍍鋅層破裂的現(xiàn)象，在采取這些措施后，304H彈簧鋼絲及彈簧未再出現(xiàn)表面因金屬污染而造成的銹蝕現(xiàn)象。

圖7 盤條打包機(jī)及被銅污染的盤條形貌Fig.7 Wire rod balers(a)and morphology of the wire rods contaminated with copper

3 結(jié) 論

盤條在精整打包過程中被打包機(jī)橫軸中的銅元素污染，或在拉絲過程中被拉絲輪表面的鋅元素污染，在304H彈簧鋼絲及彈簧表面存在水膜的情況下，這些元素與基體固溶體形成電位差，而發(fā)生電化學(xué)腐蝕，從而出現(xiàn)局部銹蝕現(xiàn)象。通過將現(xiàn)場(chǎng)打包機(jī)橫軸材料更換成有機(jī)樹脂，對(duì)拉絲輪進(jìn)行定期檢查，可防止因表面金屬元素污染造成的銹蝕。