SUS304不銹鋼腔體生銹的研究與解決

黃福敏

（廣東格蘭仕微波生活電器制造有限公司 中山 528400）

引言

新品電蒸爐開發(fā)，老化測試發(fā)現(xiàn)腔體（內(nèi)膽）生銹問題，腔體為304不銹鋼材質(zhì)，防銹性能較好，類似產(chǎn)品開發(fā)從未發(fā)現(xiàn)過此問題。本次問題的出現(xiàn)就是不銹鋼常識導(dǎo)致走錯了方向，當不銹鋼表面出現(xiàn)褐色銹斑（點）的時候，大部份人都感到驚訝：認為“SUS304不銹鋼是不生銹的，因為SUS304不銹鋼是優(yōu)質(zhì)、高級不銹鋼，可能是其它物質(zhì)附在材質(zhì)表面”。其實，這是對不銹鋼缺乏了解的一種片面的錯誤看法。不銹鋼在一定的條件下也會生銹的。特別是在高溫高濕條件下，防銹更優(yōu)的316不銹鋼也會生銹。

1 腔體生銹問題背景簡述

電蒸爐在模擬用戶使用時，需要進行老化測試，老化以最嚴格的方式進行，機器煮水工作2 h，停止冷卻1 h，連續(xù)進行3 000 h老化，停止冷卻時間不計。問題第一次出現(xiàn)時，一般老化100 h左右開始在腔體頂部出現(xiàn)輕微銹點，繼續(xù)測試后，問題越來越嚴重。見圖1。

圖1 腔體生銹異常

腔體生產(chǎn)工序較多，需要每個工序都分析有沒有出現(xiàn)異常的可能性。該腔體采用全球第一條全自動化生產(chǎn)線生產(chǎn)，從卷料到成品全自動化生產(chǎn)，自動化生產(chǎn)差異正常是較小的。反之，正因生產(chǎn)工序多，分析要點也涉及較多。

正常的腔體生產(chǎn)工藝是：開料—拉伸—折U成形—等離子焊接U型框—壓頂部壓包—自動激光焊接腔體后板—撕覆膜送入清洗線烘干—打包纏膠。

異常問題描述：銹點主要分布腔體在R角和頂部，第一批老化的機器未發(fā)現(xiàn)異常，而第二批以后的機器均出現(xiàn)生銹。腔體銹點主要集中在R角和頂部壓包位置。

2 腔體生銹原因分析

2.1 總體方案制定

通過收集并查詢相關(guān)資料，了解不銹鋼的耐腐蝕性主要是因為在鋼中添加了較高含量的Cr元素，其易于氧化，能在鋼的表面迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，不銹鋼的耐腐蝕性能主要依靠表面覆蓋的這一層極薄的致密的鈍化膜[8]，這層鈍化膜與腐蝕介質(zhì)隔離，是不銹鋼防護的基本屏障，如果鈍化膜不完整或有缺陷被破壞，不銹鋼會很容易被腐蝕。

根據(jù)腔體的生產(chǎn)工藝流程，進行詳細排查，發(fā)現(xiàn)焊接有更換過程等離子焊接夾具，是否等離子夾具受到鐵銹或游離鐵的污染？腔體清洗過程鈍化層是否被破壞或污染？根據(jù)問題情況，研究討論后制定了以下幾個大步驟去分析、測試驗證。

1）R角和頂部壓包區(qū)域發(fā)外到第三方認證機構(gòu)進行化學成份分析。

2）確認是否腔體拉伸成形過程材質(zhì)拉傷或變性導(dǎo)致材料易生銹。

3）是否腔體表面受到污染，有氧化鐵、游離鐵等物質(zhì)。生產(chǎn)過程與腔體接觸的工裝夾具都要需檢查排除 ，是否工裝生銹或類似物質(zhì)污染到腔體。

4）是否清洗線清洗過程異常，表面受損或交叉污染。

5）采購客戶和競品樣機進行測試驗證，并同步進行結(jié)構(gòu)分析比較。

根據(jù)五大部步驟制定了如下測試方法，測試需要進行AT冷凝水測試、鹽霧測試、游離鐵測試、老化測試。見表1。

表1 測試方案

2.2 詳細方案分析

2.2.1 化學成份分析

整機拆出腔體，用剪刀從腔體上剪下第一批和第二批老化腔體的R角和壓包位置，發(fā)第三方機構(gòu)進行分析，了解不同批次腔體化學成份有什么差異。

2.2.2 確認是否腔體拉伸成形過程材質(zhì)拉傷或材質(zhì)變性需進行AT測試和鹽霧測試來確定。

其中，AT測試是冷凝水氣候測試試驗方法，該方法是德國的測試標準[2]。是一種耐潮濕性能測試方法。模擬氣候變化對試樣的影響，測試方法見表2。

表2 冷凝水測試氣候

2.2.3 是否腔體表面受到污染，有氧化鐵、游離鐵等物質(zhì)。生產(chǎn)過程與腔體接觸的工裝夾具都要需檢查排除 ，是否工裝生銹或類似物質(zhì)污染到腔體。

腔體是否受到氧化鐵、游離鐵的污染，可以在腔體成品中，進行游離鐵測試，焊接工裝夾具上是否有氧化鐵、游離鐵等污染物，需要對工裝進行酒精拭擦清潔。拭擦前后的測試對比。要求每天生產(chǎn)線工作前，均需要對等離子焊接工裝酒精拭擦清潔。

其中，游離鐵測試采用藍斑檢測法，該方法可以檢測腔體是否有鐵銹、游離鐵污染。方法是：將鐵氰化鉀加入蒸餾水中，再加入硝酸，攪拌直到所有鐵氰化鉀溶解，并用蒸餾水稀釋。配制好的溶液直接噴到腔體表面，如果在30s內(nèi)有深藍色的斑點出現(xiàn)則表示有金屬鐵、游離鐵污染。

2.2.4 是否清洗線清洗過程異常，表面受損或交叉污染。

清洗線生產(chǎn)工藝是：腔體撕覆膜——上掛——脫脂1——脫脂2——自來水清洗——純水清洗——烘干——檢查外觀——打包纏膠。

根據(jù)清洗線的生產(chǎn)工藝，需要排查每一工序是否存在異?；虿涣疾僮?。按要求對清洗線進行點檢，要求每天點檢，每2周更換清潔槽清線液，外觀加嚴檢驗，確認是否有刮花、斑污等異常，并對清洗和不清洗的腔體安排進行AT測試和鹽霧測試。

2.2.5 采購客戶和競品樣機進行測試驗證，并同步進行結(jié)構(gòu)分析比較。

客戶反饋他們的樣機做老化3 000 h測試無異常。

3 測試分析結(jié)果匯總

3.1 化學成份分析

TUV機構(gòu)的化學成份報告結(jié)果說明：兩種材質(zhì)均符合國家標準[4]SUS304的化學成份要求。成份無異常。圖2為第一批和第二批機器R角和壓包取樣，圖3為化學成份分析結(jié)果。

圖2 機器R角和壓包取樣

圖3 化學成份分析結(jié)果

3.2 AT冷凝水測試

AT冷凝水測試委托第三方認證機構(gòu)進行檢驗。測試區(qū)域見圖4。

圖4 測試區(qū)域圖

按制定的方案進行了9個循環(huán)AT冷凝水測試，腔體拉伸壓包和R角位置測試無明顯異常。試樣測試結(jié)果見圖5、圖6。

圖5 試樣測試結(jié)果

圖6 試樣測試結(jié)果

3.3 鹽霧測試

鹽霧測試執(zhí)行國家標準GB/T 10125-2012，對各類腔體500 h中性鹽測試，每天定期觀察，腔體內(nèi)部應(yīng)無腐蝕、生銹、氧化等不良現(xiàn)象出現(xiàn)。

3.4 游離鐵測試

藍斑檢測法測試，對各類腔體內(nèi)部噴測試溶液，未發(fā)現(xiàn)的變藍，無明顯異常。

化學成份分析、AT測試、鹽霧測試、游離鐵測試無異常，但老化還是生銹，已消耗了較長的時間，前面制定的方案均驗證，未找出問題原因。

4 最終方案測試分析

4.1 最終方案制定

由于前面制定的方案均未能找到問題根源，重點進行樣機測試分析。機器差異如下：

1）客戶樣機老化測試水垢較少；

2）樣機為進口304材質(zhì)；

3）公司產(chǎn)品腔體頂部覆蓋有發(fā)熱絲，客戶樣機沒有。

4.2 是否水垢問題導(dǎo)致

自來水中的水垢含雜質(zhì)較多引起，需要使用純水進行老化驗證。純水經(jīng)過過濾，沒有雜質(zhì)，老化測試后水垢極少。但由于電蒸爐98 %的用戶均會使用自來水來烹飪，若純水能解決腔體生銹的問題，也不符合用戶使用習慣，純水老化測試僅供參考，后期測試了700 h左右開始出現(xiàn)了銹點，測試結(jié)論：水垢是一個影響因素，但不是關(guān)鍵因素。

4.3 進口304材質(zhì)耐腐蝕性更好

客戶樣機腔體材質(zhì)均為進口304材料，國產(chǎn)SUS304耐腐蝕性差？使用耐腐蝕性更好的SUS316材質(zhì)，并按正常生產(chǎn)工藝生產(chǎn)腔體，裝整機進行老化測試。結(jié)果316材質(zhì)腔體老化250 h，開始出現(xiàn)銹點。

4.4 腔體覆蓋發(fā)熱絲引起

經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)競品樣機老化測試也會生銹，而客戶樣機老化測試200 h未出現(xiàn)異常。機器差異僅是我司腔體頂部覆蓋有發(fā)熱絲。頂部覆蓋發(fā)熱絲，行業(yè)內(nèi)大部分廠家均采用此結(jié)構(gòu)，主要目的的防止腔體頂部產(chǎn)生冷凝水。

首先，降低發(fā)熱絲功率，開始頂部發(fā)熱絲功率是100 W，然后降到60 W，進行老化測試，測試了150 h，腔體開始生銹。但分析發(fā)現(xiàn)有一定的改善，前期老化120 h開始腔體生銹了，現(xiàn)在測試到150 h才開始生銹，繼續(xù)降低發(fā)熱絲功率到40 W，老化測試了170 h開始生銹，最后，取消發(fā)熱絲測試驗證。

取消發(fā)熱絲測試驗證，測試500 h未見異常，繼續(xù)測試800 h未見異常。

經(jīng)查詢相關(guān)資料，了解不銹鋼是靠其表面形成的一層極薄而又堅固細密的穩(wěn)定的鉻氧化膜，防止氧原子繼續(xù)滲入、繼續(xù)氧化，而獲得抗腐蝕的能力。一但有某種原因，這種薄膜遭到不斷的破壞，空氣或液體中和氧原子就會不斷滲入或金屬中鐵原子不斷地析離出來，形成疏松的氧化鐵，金屬表面也就受到不斷的銹蝕。本案例腔體表面存積蓄含有其它金屬元素的水垢顆粒的附著物，在潮濕的空氣中，附著物與不銹鋼間的冷凝水，將二者連成一個微電池，引發(fā)了電化學反應(yīng)，保護膜受到破壞，專業(yè)術(shù)語：電化學腐蝕。

電化學腐蝕指不純的金屬或其它類似物質(zhì)接觸電解質(zhì)溶液時，發(fā)生原電池反應(yīng)所造成的腐蝕。

因為氧是陰極去極化劑，因此也稱此反應(yīng)為溶解氧化學腐蝕。

在溶解飽和的水中一般的碳鋼必將發(fā)生這類均勻的微電池腐蝕，但只要能抑制陽極或者陰極反應(yīng)，就能抑制電化學腐蝕的進行，不銹鋼就是通過程改變鋼鐵的化學組成，使之在表面成氧化鉻膜，并抑制這類陰、陽極反應(yīng)進行[12]。

本案例腔體模擬烹飪煮水測試，并腔體頂部覆蓋發(fā)熱絲，實測發(fā)熱絲與腔體接觸區(qū)域溫度： 140～150 ℃，100 %濕度條件，催化加快電化學反應(yīng)，引起腔體生銹。腔體頂部生銹的位置均被發(fā)熱絲覆蓋。

不銹鋼腐蝕與溫度的關(guān)系[13]，見圖7，在150 ℃左右，腐蝕速率最高。

從該腐蝕機理，反推解決方案，就是要防止產(chǎn)生電化學反應(yīng)，即要求定期清潔腔體內(nèi)部。

圖7 溫度與腐蝕的速率關(guān)系

如果每天清潔一次腔體，不取消發(fā)熱絲理論上也能解決此問題，但產(chǎn)品實際使用中，消費者不可能每天都去清潔腔體，這樣解決問題不實際，最終確認：至少每周清潔一次腔體內(nèi)部，保證腔體表面干凈清潔，阻止發(fā)生電化學反應(yīng)，防止腔體生銹氧化。

找到問題發(fā)生的機理后，通過取消發(fā)熱絲，并要求實驗室老化測試過程，每周清潔一次腔體內(nèi)部，持續(xù)老化測試到3 000 h無異常，問題得到了最終解決。同時，將清潔保養(yǎng)要求導(dǎo)入說明書中，提醒消費者要注重機器的清潔保養(yǎng)。否則，機器頻繁使用后可能會出現(xiàn)腔體生銹問題。

5 結(jié)語

腔體生銹問題分析與解決耗費較多時間和資源，主要是普通常識和行業(yè)結(jié)構(gòu)的誤導(dǎo)，認為SUS304本身不銹鋼不會生銹，生銹是外來污染導(dǎo)致。次之，認為不銹鋼來料存在質(zhì)量問題、測試條件苛刻，SUS304滿足不了這么嚴酷的測試要求。然而SUS316不銹鋼驗證也存在問題，同時使用SUS316成本極高，不實際。腔體頂部覆蓋發(fā)熱絲是行業(yè)內(nèi)比較成熟的結(jié)構(gòu)，沒有產(chǎn)生懷疑，導(dǎo)致走了較多的彎路。最終，取消腔體頂部發(fā)熱絲，并要求定期清潔腔體，防止形成電化學腐蝕，徹底解決了SUS304不銹鋼腔體生銹問題。