軸承鋼在鹽酸中腐蝕行為的研究

李 闖

（云南經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，云南昆明 650093）

0 引言

軸承鋼廣泛用于化工、石油、食品和船舶等工業(yè)領(lǐng)域中，一直以來(lái)其機(jī)械性能和力學(xué)性能備受關(guān)注.隨著鹽酸酸化，氯離子濃度升高，從而使得軸承鋼的腐蝕日趨嚴(yán)重，但歷年來(lái)對(duì)軸承鋼耐蝕性能研究較少.腐蝕直接導(dǎo)致軸承鋼的力學(xué)性能大大降低，為保障安全生產(chǎn)及經(jīng)濟(jì)開發(fā)，了解這種材料在鹽酸介質(zhì)中的腐蝕特性極其重要［1-5］.

1 實(shí)驗(yàn)材料與研究方法

實(shí)驗(yàn)所采用材料為軸承鋼GCr15，軸承鋼的直徑為φ15 mm.利用直讀光譜儀對(duì)軸承鋼進(jìn)行元素的定量分析，如表1所示.

表1 軸承鋼成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

用型號(hào)DK7716電火花數(shù)控線切割機(jī)切割軸承鋼試樣.用型號(hào)SX2-4-10箱式電阻爐對(duì)φ15 mm×15 mm圓柱形的軸承鋼進(jìn)行球化退火，具體工藝如下：

（1）將電阻爐加熱到790 ℃，然后把軸承鋼試樣放進(jìn)電阻爐，保溫4 h.

（2）保溫結(jié)束后，將電阻爐再冷卻到720 ℃，保溫5 h.

（3）將電阻爐以20 ℃/s冷卻速度降至650 ℃，最后出爐空氣中冷卻至室溫.

隨后將裝有體積分?jǐn)?shù)50%的濃鹽酸溶液進(jìn)行水浴加熱，水浴加熱到70～75 ℃，將熱處理、未熱處理的軸承鋼試樣分別放進(jìn)體積分?jǐn)?shù)50%的濃鹽酸溶液進(jìn)行腐蝕，腐蝕5 min、10 min、30 min 后取出，利用型號(hào)XIP300金相顯微鏡觀察不同腐蝕時(shí)間的軸承鋼試樣橫縱截面，利用型號(hào)FA2004B電子天平分別測(cè)量熱處理前和熱處理后試樣腐蝕過(guò)程中損失的質(zhì)量；測(cè)量熱處理前和熱處理后的腐蝕電位，記錄數(shù)據(jù).

圖1 金相組織

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 熱處理前后金相照片

熱處理前是帶有網(wǎng)狀滲碳體的珠光體組織.利用Image Tool軟件測(cè)出珠光體團(tuán)的尺寸大約為17 μm，網(wǎng)狀滲碳體大約占14.80%.之所以有這樣的組織，是因?yàn)镚Cr15為過(guò)共析鋼，在Ac1與Accm之間，奧氏體會(huì)沿奧氏體晶界析出二次網(wǎng)狀滲碳體，在溫度降到Ac1時(shí)，奧氏體發(fā)生共析反應(yīng)，生成珠光體組織，最后就會(huì)得到帶有網(wǎng)狀滲碳體的珠光體組織.

球化退火后是粒狀碳化物分布在鐵素體基體上的組織，球狀碳化物大小約為φ0.5 μm，碳化物約占15.45%.之所以有這樣的組織，是因?yàn)樵谇蚧嘶疬^(guò)程中珠光體變成奧氏體，同時(shí)會(huì)殘留一部分未熔化的滲碳體.然后降溫冷卻到Ac1，由于溫度降低，未熔化的滲碳體作為非均勻形核的球化核心，最終形成粗大的顆粒狀的球狀碳化物，同時(shí)使基體中含碳量減少，促使其轉(zhuǎn)變?yōu)楹剂枯^少的鐵素體組織.

2.2 軸承鋼熱處理前后縱橫截面腐蝕后形貌

圖2中a、b、c圖是分別用濃鹽酸腐蝕未熱處理軸承鋼的縱截面金相圖片，d、e、f圖是分別用濃鹽酸腐蝕未熱處理軸承鋼的橫截面金相圖片.

圖2 未熱處理的金相照片

利用Image Tool軟件測(cè)出管道寬度、孔洞半徑及腐蝕面積，由表2、表3、表4可以看出，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，管道寬度及孔洞半徑有所增加，腐蝕面積與未被腐蝕面積的比值逐漸增大.

表2 未熱處理縱截面管道寬度與腐蝕時(shí)間記錄

表3 未熱處理狀態(tài)下不同腐蝕時(shí)間的孔洞直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表4 未熱處理橫截面腐蝕面積所占比例與腐蝕時(shí)間記錄

圖3中a、b、c圖是分別用濃鹽酸腐蝕熱處理過(guò)的軸承鋼縱截面金相圖片，d、e、f圖是分別用濃鹽酸腐蝕熱處理過(guò)的軸承鋼橫截面金相圖片.

圖3 球化退火后的金相照片

利用Image Tool軟件測(cè)出管道寬度、孔洞半徑及腐蝕面積，由表5、表6、表7可以看出，同未被熱處理的試樣得出的結(jié)論一致，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，管道寬度及孔洞半徑有所增加，腐蝕面積與未被腐蝕面積的比值逐漸增大.但是球化退火后的管道寬度、孔洞半徑及腐蝕面積/未被腐蝕面積的比值小于相同時(shí)間腐蝕未進(jìn)行球化退火處理狀態(tài)下軸承鋼試樣的數(shù)據(jù).

表5 球化退火縱截面管道寬度與腐蝕時(shí)間記錄

表6 球化退火不同腐蝕時(shí)間的孔洞直徑統(tǒng)計(jì)結(jié)果

表7 球化退火橫截面腐蝕面積所占比例與腐蝕時(shí)間記錄

2.3 質(zhì)量分析結(jié)果

對(duì)軸承鋼熱處理前后腐蝕時(shí)間與腐蝕質(zhì)量變化關(guān)系進(jìn)行分析，得到的結(jié)果如圖4.由圖4可得，隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，軸承鋼質(zhì)量逐漸減少；未進(jìn)行球化退火的質(zhì)量損失稍微嚴(yán)重；無(wú)論是否進(jìn)行熱處理，軸承鋼質(zhì)量前期隨腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)減少較快，后期減少較慢.

圖4 熱處理前后質(zhì)量隨時(shí)間變化折線圖

2.4 電化學(xué)腐蝕電位

圖5a是未進(jìn)行熱處理合金的腐蝕電位，可得出電化學(xué)腐蝕電位為-0.67 V；圖5b是進(jìn)行熱處理合金的腐蝕電位，可得出電化學(xué)腐蝕電位為-0.63 V，腐蝕電位低易被腐蝕，經(jīng)熱處理的更加耐腐蝕.球化后軸承鋼耐腐蝕性好，可能與滲碳體形狀的改變和合金元素固溶的改變有關(guān).

圖5 塔菲爾曲線

3 結(jié)論

本文利用金相顯微鏡等設(shè)備對(duì)軸承鋼在鹽酸中腐蝕后的形貌進(jìn)行研究，對(duì)其質(zhì)量損失進(jìn)行分析，并測(cè)出其電化學(xué)腐蝕電位.結(jié)論如下：

1）對(duì)于軸承鋼，縱截面腐蝕形貌為管道狀，橫截面腐蝕形貌為孔洞.隨著腐蝕時(shí)間的延長(zhǎng)，管道及孔洞的寬度逐漸增加.

2）熱軋態(tài)和球化處理后軸承鋼質(zhì)量隨著腐蝕時(shí)間延長(zhǎng)而減少，但球化處理后質(zhì)量損失率小于熱軋態(tài)軸承鋼.

3）軸承鋼熱處理前后的電化學(xué)腐蝕電位分別為-0.67 V、-0.63 V，腐蝕5～30 min后，未熱處理狀態(tài)腐蝕速度要大于球化處理狀態(tài)腐蝕速度.因此企業(yè)選擇球化退火處理后的軸承鋼較好.