1Cr11Ni2W2MoV 模鍛件耐蝕性改進(jìn)工藝

孫小嵐，楊堃

（沈陽(yáng)飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110850）

1Cr11Ni2W2MoV 鋼材料是12%鉻型馬氏體熱強(qiáng)不銹鋼，不僅室溫強(qiáng)度和持久強(qiáng)度高，而且具有良好的韌性和抗氧化性能，在淡水和濕空氣中具有中等耐蝕性[1-2]。1Cr11Ni2W2MoV 鋼最初是作為發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)材料而研制的，用于高承載發(fā)動(dòng)機(jī)零件，包括600 °C 以下工作的壓氣機(jī)盤件、葉片等零件，現(xiàn)多用于制造在550 °C 以下及潮濕條件下工作的承力件[3-4]。

1Cr11Ni2W2MoV 鋼由于具有較好的耐蝕性而被廣泛應(yīng)用[5-6]。但在生產(chǎn)過程中，具有非加工表面的零件經(jīng)鈍化處理后，非加工表面經(jīng)常出現(xiàn)銹蝕問題，嚴(yán)重制約生產(chǎn)，同時(shí)給飛機(jī)安全帶來(lái)了隱患[7]。

為此，本文對(duì)1Cr11Ni2W2MoV 鋼的銹蝕問題進(jìn)行原因分析，找到影響耐蝕性的原因是材料表面有貧化層存在，提出通過電化學(xué)拋光來(lái)去除貧化層，以提高1Cr11Ni2W2MoV 鋼的耐蝕性。

1 原因分析

不耐蝕貧化層專指表層貧鉻層，通常存在于含碳量高于0.02%的不銹鋼中。合金中的碳與鉻能生成碳化物(CrxCy)，高溫淬火時(shí)能形成固溶態(tài)，鉻均勻分布，令合金具有良好的耐蝕性。這種過飽和固溶態(tài)在室溫下雖然能暫時(shí)保持，但不穩(wěn)定。當(dāng)加熱到敏化溫度范圍內(nèi)時(shí)，碳化物就會(huì)沿晶界析出，鉻便從晶粒的固溶態(tài)中分離出來(lái)。由于鉻擴(kuò)散緩慢，遠(yuǎn)遠(yuǎn)慢于碳的擴(kuò)散，不能從晶粒固溶態(tài)中擴(kuò)散補(bǔ)充到邊界，因而只能消耗晶界附近的鉻，于是形成晶粒邊界貧鉻區(qū)。該貧鉻現(xiàn)象只發(fā)生在材料表層一定寬度(或深度)范圍內(nèi)，表層中鉻元素含量下降會(huì)引起耐蝕性減弱。貧鉻層的厚度取決于加熱條件。

通常采用噴砂、酸洗或電化學(xué)拋光的方法去除不耐蝕貧化層，以提高材料表層的耐腐蝕性能。然而噴砂和酸洗都有一定的局限性。對(duì)于形狀復(fù)雜的模鍛件來(lái)說(shuō)，手工噴砂無(wú)法保證均勻、完全地去除不耐蝕貧化層，且噴砂后不耐蝕貧化層是否完全去除也無(wú)法進(jìn)行檢測(cè)與控制；酸洗雖然可以按尺寸去除貧化層，但是1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼在酸洗后表面易產(chǎn)生嚴(yán)重的掛灰，也無(wú)法去除(見圖1)。

圖1 噴砂酸洗后的效果Figure 1 Appearance after blasting and pickling

2 改進(jìn)措施

電化學(xué)拋光工藝是通過陽(yáng)極溶解而整平金屬表面，提高零件表面亮度、耐蝕性，以及改善零件表面性能的加工過程。它不受材料與制造結(jié)構(gòu)的限制，腐蝕均勻，方便可控。為此，擬通過電化學(xué)拋光去除1Cr11Ni2W2MoV 鋼制毛坯模鍛件表層的不耐蝕貧化層，并對(duì)拋光的試件進(jìn)行耐蝕性、晶間腐蝕、氫增量等工藝性能檢測(cè)，以確定工藝的可行性。

研究方案如下：

(1) 選用典型的1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件進(jìn)行電化學(xué)拋光試驗(yàn)，確定表層不耐蝕貧化層厚度、拋光時(shí)間等具體參數(shù)。

(2) 按確定的工藝參數(shù)，對(duì)1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件進(jìn)行加工，并對(duì)試樣進(jìn)行耐蝕性、晶間腐蝕、氫增量等檢測(cè)，以確定電化學(xué)拋光工藝對(duì)零件性能的影響。

選用完成最終熱處理的1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件(如圖2 所示)作為試件，主要是對(duì)其中的非機(jī)加表面進(jìn)行處理。所謂非機(jī)加表面，是指在后續(xù)工藝過程中無(wú)需進(jìn)行機(jī)械加工的表面，須保持原料狀態(tài)，其表面粗糙度較高。

圖2 毛坯模鍛件Figure 2 Blank die forging

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 工藝流程

改進(jìn)工藝后的模鍛件加工流程為：鍛造→熱處理→噴砂→電化學(xué)拋光→除氫→機(jī)械加工→表面處理。

噴砂使用60 目SiC 砂粒，噴砂壓力控制在0.4 ～ 0.6 MPa，以清除1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件鍛造及熱處理后表層氧化皮，為電化學(xué)拋光工序提供良好的表面狀態(tài)(見圖3)。

圖3 噴砂后零件的外觀Figure 3 Appearance of part after blasting

電化學(xué)拋光的溶液組成及工藝條件為；硫酸(密度1.84 g/L)125 ～ 163 mL/L，磷酸(密度1.72 g/L)559 ～706 mL/L，鉻酸酐(CrO3)70 ～ 100 g/L，溫度60 ～ 80 °C，陽(yáng)極電流密度40 ～ 80 A/dm2，陽(yáng)極為Pb2 鉛板，時(shí)間視表面狀態(tài)而定。

3. 2 試驗(yàn)控制要求

3. 2. 1 耐蝕性

電化學(xué)拋光后對(duì)1Cr11Ni2W2MoV 毛坯模鍛件進(jìn)行硫酸銅點(diǎn)滴試驗(yàn)，檢驗(yàn)其表層不耐蝕貧化層是否被去除及其耐腐蝕性能。檢驗(yàn)溶液由16 ～ 17 g/L 五水合硫酸銅和5 ～ 6 mL/L 濃硫酸組成。將該溶液滴在試件表面，5 ～ 6 min 后擦干，有金屬銅析出則表明耐蝕性不符合要求。

3. 2. 2 晶間腐蝕

按GB/T 7998-2005《鋁合金晶間腐蝕測(cè)定方法》對(duì)1Cr11Ni2W2MoV 毛坯模鍛件進(jìn)行晶間腐蝕試驗(yàn)，然后取樣進(jìn)行金相檢查。

3. 2. 3 氫增量

用1Cr11Ni2W2MoV 毛坯模鍛件制取氫增量試樣，經(jīng)電化學(xué)拋光及除氫處理后按HB/Z 318-1998《鍍覆前消除應(yīng)力和鍍覆后除氫處理規(guī)范》進(jìn)行除氫，然后采用測(cè)氫儀檢測(cè)氫含量，對(duì)比不同工藝處理后的氫增量指標(biāo)。由于1Cr11Ni2W2MoV 材料熱處理后的最高抗拉強(qiáng)度為1 080 MPa，因此選定的除氫工藝為：溫度(190 ± 10) °C，時(shí)間4 h。

3. 3 電化學(xué)拋光的腐蝕速率及時(shí)間的確定

一開始按3.1 節(jié)中的參數(shù)，分別選取5 min 和7 min 進(jìn)行電化學(xué)拋光試驗(yàn)，但對(duì)拋光試件進(jìn)行硫酸銅點(diǎn)滴試驗(yàn)時(shí)有銅析出。經(jīng)過多次工藝試驗(yàn)，得出1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件經(jīng)10 min 的電化學(xué)拋光處理后，可有效地去除試件表層的不耐蝕貧化層，處理后的試件在硫酸銅點(diǎn)滴試驗(yàn)中未見銅析出。

取4 個(gè)不同直徑的1Cr11Ni2W2MoV 圓棒狀試件進(jìn)行電化學(xué)拋光，從10 min 后起每隔5 min 測(cè)量一次直徑，計(jì)算每5 min 內(nèi)直徑的減小量，以考察直徑方向的去除量隨拋光時(shí)間的變化，結(jié)果見表1。

表1 尺寸去除量隨拋光時(shí)間的變化Table 1 Variation of size with polishing time（單位：mm）

試驗(yàn)表明，電化學(xué)拋光7 min 后仍有銅析出，直至10 min 后貧化層被才完全去除。經(jīng)過反復(fù)試驗(yàn)，貧化層大致在9 min 后沿直徑方向有0.06 mm 的去除量，由此得出1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件經(jīng)熱處理后所形成的表層不耐蝕貧化層的大體厚度是單面0.03 ～ 0.032 5 mm。

由于1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件扳口部位具有h12 等級(jí)的精度要求，因此為了避免該部位在電化學(xué)拋光工藝過程中出現(xiàn)超差問題，并保證鍛件表層不耐蝕貧化層的有效去除，結(jié)合電化學(xué)拋光腐蝕速率的計(jì)算結(jié)果，最終將電化學(xué)拋光時(shí)間確定為10 ～ 15 min。拋光后試件的外觀變化如圖4a 所示。

3. 4 電化學(xué)拋光后的性能測(cè)試

3. 4. 1 耐蝕性

硫酸銅點(diǎn)滴試驗(yàn)結(jié)果表明，對(duì)于未拋光的1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件，無(wú)論是否鈍化，耐蝕性都不符合要求，而對(duì)于電化學(xué)拋光后的試件，無(wú)論是否鈍化，耐蝕性都合格。

如圖4b 所示，電化學(xué)拋光不僅能令1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件獲得光亮的外觀，而且有效提高了它的耐腐蝕性能。

圖4 未拋光(上)與拋光后(下)的試件在鈍化前(a)、后(b)的耐蝕性對(duì)比Figure 4 Comparison of corrosion resistance of unpolished (above) and polished (below) samples before (a) and after (b) passivation

3. 4. 2 晶間腐蝕

1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件經(jīng)過10 ～ 15 min 電化學(xué)拋光后進(jìn)行金相晶間腐蝕檢測(cè)，未發(fā)現(xiàn)晶間腐蝕傾向。

3. 4. 3 氫增量

選用1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件制取氫增量試樣，按規(guī)定對(duì)試樣進(jìn)行10 ～ 15 min 的電化學(xué)拋光，并選取個(gè)別試樣在電化學(xué)拋光后進(jìn)行除氫，以分析化學(xué)氫增量，結(jié)果見表2。

表2 氫增量對(duì)比Table 2 Comparison of hydrogen increase

電化學(xué)拋光試件按規(guī)定要求進(jìn)行除氫處理后，外觀未發(fā)現(xiàn)明顯的變化，而且電化學(xué)拋光不會(huì)造成1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件的氫含量增加，電化學(xué)拋光后進(jìn)行除氫處理可降低氫含量。

3. 4. 4 鹽霧加速試驗(yàn)

如圖5 所示，300 h 中性鹽霧試驗(yàn)后噴砂表面出現(xiàn)嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，而電化學(xué)拋光試件未出現(xiàn)銹蝕問題，說(shuō)明電化學(xué)拋光可提高1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼的耐腐蝕性能。

圖5 噴砂后機(jī)加件(左)和電化學(xué)拋光件(右)在300 h 中性鹽霧試驗(yàn)后的外觀Figure 5 Appearance of blasted (left) and electropolished (right) parts after neutral salt spray test for 300 h

4 結(jié)語(yǔ)

采用電化學(xué)拋光方法能夠去除1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼表面的貧化層，不僅令材料表面光潔度大幅提高，而且增強(qiáng)了材料的耐腐蝕性能。