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如何钝化不锈钢零件

时间: 2011-07-09 21:08 来源: 作者: Terry A. DeBold 和 Ja 点击:
钝化依然是提高不锈钢零部件基本防腐性能的关键一步。它可以让零部件具有满意的性能,也可以使它过早发生故障。如果操作不正确,钝化实际上会导致腐蚀。


钝化用于在加工后提高不锈钢零件
固有的防腐性

钝化是提高不锈钢合金工件固有防腐性能的一种后制作方法。它不是一种去氧化皮处理,也不像喷漆过程。

对于钝化操作的精确机理,没有通用的说法。但是有一点是确定的,那就是在钝化不锈钢表面上存在一层保护性氧化膜。这层看不见的膜被认为是非常薄的,厚度小于0.0000001英寸,大约是人类头发丝的1/100,000。

新加工、抛光或酸洗过的不锈钢零件,因接触大气中的氧气将自动获得该氧化膜。在理想的条件下,该保护性氧化膜会完全覆盖零件的所有表面。

但是,在实际情况中,诸如车间灰尘或来自的铁微粒等污染物,有可能在加工过程中被传送到不锈钢零件的表面上。如果这些异物粒子不去掉,则它们可能会降低原始保护膜的有效性。


左边的零件,在经过适当钝化处理后,具有干净、闪亮、防腐表面。右边的零
件,在被污染的钝化溶液中经过处理后,出现快速腐蚀现象。

在加工过程中,有可能会从刀具上脱落微量的游离铁,并转移到不锈钢工件的表面上。在一定的条件下,零件的表面可能会出现一层薄薄的锈迹。这实际上是钢因刀具而不是母材产生的腐蚀。有时候,来自切削刀具或其腐蚀品夹入的钢微粒而产生的裂缝,可能会引起零件本身发生化学腐蚀性反应。
类似地,含有铁的车间灰尘微粒有可能会粘附到零件表面上。尽管金属有可能以“加工好的状态”闪亮出现,但是看不见的游离铁微粒,在暴露到空气中后,有可能会导致表面发生锈蚀。

暴露的硫化物也可能是一个问题。这种硫化物产生于在给不锈钢添加硫以改善其可加工性的过程中。硫化物改善了合金形成切屑的能力,在加工过程中,这种切屑可以很干脆地从刀具上脱离。除非零件经过适当钝化,否则硫化物有可能会充当在加工后的产品表面上发生腐蚀的最初场所。

在这两种情况下,都需要采用钝化过程来提高不锈钢的天然防腐性能。它可以去掉表面污染,诸如有可能形成锈蚀或充当发生腐蚀最初场所的、含铁的车间灰尘以及来自刀具的铁微粒等。钝化还可以去掉暴露在可自由加工不锈钢合金表面中的硫化物。

采用一种由两步组成的工艺,可以保证最好的防腐性能:1. 清洗,这是最基本的一步,但有时候却被忽略;2.酸浴或钝化处理。


在硝酸浴中钝化不锈钢零件的过程非常一目了然。

首先清洗

首先必须始终进行清洗。必须从表面上彻底清洗掉油脂、冷却液或其它车间碎屑,以获得尽可能最好的防腐性能。加工屑或其它车间灰尘可以仔细地从零件上擦掉。可以用某种商用脱脂剂或清洗剂来清洗掉加工油或冷却液。异物诸如热氧化物等,可以通过磨削或酸洗等方法而去掉。

有时候,机床操作员可能跳过基本的清洗过程,错误地认为简单地将油脂斑斑的零件浸到酸浴中,就可以同时完成清洗和钝化过程。实际上这是不会发生的。相反,污染性油脂会与酸发生反应而形成气泡。这些气泡集中在工件的表面,将干扰钝化过程。

更严重的是,钝化液的污染,有时候含有大量氯化物,会引起图1中所示的“快速腐蚀(flash attack)”。 发生快速腐蚀时,无法获得所要求的具有闪亮、干净、防腐表面的氧化膜,相反会引起严重蚀刻或发黑表面——这正是需要采用钝化过程加以优化的表面。

采用马氏体不锈钢[带磁性,具有中等防腐性,可以产生大约280ksi(1930MPa)的屈服强度]制成的零件,在高温下硬化,然后进行回火,以保证所需要的的硬度和机械性能。沉析可硬化合金(比马氏体不锈钢具有更好的强度和防腐性能组合)可以用溶液进行处理,可以在较低的温度下进行部分加工、时效处理,然后进行精加工。

在某些情况下,零件必须用脱脂剂或清洗剂进行彻底清洗,以便在热处理之前去掉任何痕迹。否则,剩余在零件上的切削液将引起过度氧化。在通过酸洗或打磨去掉氧化皮后,这种状态可能会导致零件表面具有凹坑,最终尺寸不足。如果允许切削液保留在经过光亮硬化的零件上,如真空炉或保护气氛中一样,则可能会出现表面碳化,从而导致防腐性能降低。

钝化浴

在经过完全清洗后,就可以将不锈钢零件浸在钝化用酸浴中。可以采用三种方法中的任何一种来进行钝化—硝酸钝化、硝酸加重铬酸钠钝化以及柠檬酸钝化等。具体使用哪种方法,要依据不锈钢牌号以及所规定的验收准则而定。

在20%(以体积计)的硝酸浴中,可以钝化较多牌号的防腐铬镍不锈钢(图2)。如同一表中所示,通过在硝酸浴中添加重铬酸钠,使溶液具有更强的氧化性,并可以在表面形成钝化膜,可以用此种方法来进行钝化的防腐不锈钢牌号较少。另一个代替硝酸加重铬酸钠的可选方法是,将硝酸的浓度增加到50%(按体积计)。添加重铬酸钠以及提高硝酸浓度,均可以降低发生不需要的快速腐蚀的机会。

钝化可自由加工不锈钢的过程(也在图2中显示)与钝化难加工不锈钢的过程有所不同。这是因为,含硫的、可自由加工不锈钢中的硫化物,在钝化过程中会在典型的硝酸浴中部分或彻底去掉,从而在加工好的零件表面形成微观非连续性。

即使是正常足够的水洗,钝化后,在这些非连续处也可能会截留下剩余酸。然后,这种酸可能会与零件表面发生化学反应,除非已经将它中和或去掉。

可自由加工的不锈钢

为了有效地钝化可自由加工不锈钢,Carpenter公司已经开发了中和残留酸的A-A-A(碱-酸-碱)工艺。该钝化方法可以在不到2小时的时间内就完成。具体步骤如下:

脱脂后,将零件在温度为160°F~ 180°F (71°C~82°C)、浓度为5%的氢氧化钠溶液中浸泡30分钟。然后在水中彻底清洗该零件。接着,将零件在温度为120°F~140°F (49°C~60°C)、浓度为20%(以体积计)、含有3盎司/加仑(22g/升)重铬酸钠的硝酸溶液中浸泡30分钟。在将零件从该酸浴中取出来后,用水冲洗它,然后再将它在氢氧化钠溶液中浸泡30分钟。再次用水清洗零件,并让它干燥,完成A-A-A过程。该方法的好处在图3中显示。


左边的实验锥体显示了光亮精整表面,在用A-A-A方法钝化后,可自由加工
不锈钢提高了防腐性能。在右边显示了普通钝化结果。两个样品都接受了盐雾实验。

对于那些想避免采用含有重铬酸钠的矿物酸或溶液(以及处理和与使用它们相关的安全问题)的制造厂家而言,他们越来越趋向于采用柠檬酸钝化工艺。柠檬酸在各个方面都被认为对环境具有友好性。

尽管柠檬酸钝化具有环保方面的优点,但是那些在矿物酸钝化方面取得了成功,并且没有遭受安全问题的厂家,有可能仍然会保留原来的做法。如果这些用户具有干净的车间、得到良好维护且干净的设备、冷却液中不带含铁的车间灰尘,并且具有可以产生良好结果的工艺过程,那么他们就没有必要更换。

在硝酸浴中进行钝化处理,对于大量的不锈钢来说都很有用,包括若干单独的不锈钢牌号在内,如图4中所总结的那样。 为了方便,包括了图2中的普通硝酸钝化方法。请注意,旧的硝酸配比采用体积百分比,而新的硝酸浓度则采用重量百分比。必须注意,在实施这些过程时,为了避免前述“快速腐蚀”,必须小心实现浸泡时间、酸浴温度和浓度之间的平衡。


用于在柠檬酸或硝酸溶液中钝化常用可自由加工和难加工不锈
钢的程序,需要采用不同的过程。有关过程选择的详细情况将
在图5中给出。

钝化处理依据铬含量以及各个不锈钢系列中可加工特性的不同而不同。请注意过程1或过程2的栏目。如图5中所示,过程1涉及的步骤比过程2的少。


该表显示了用于钝化处理的适用的过程。

实验室的实验已经表明:柠檬酸钝化过程比硝酸过程更容易产生“快速腐蚀”。引起这种化学反应的因素包括过高的酸浴温度、过高的浸泡时间以及酸浴污染度等。包含防腐剂及其它添加剂(诸如湿化剂)的柠檬酸产品,是商业上可以买到、据说可以降低“快速腐蚀”灵敏度的产品。钝化方法的最终选择,将依赖于您的客户所提出的验收准则。有关更详细的信息,请参见ASTM A967“不锈钢零件化学钝化处理的标准规格”。可以在www.astm.org处访问该文件。

钝化零件的测试

进行测试的目的,通常是评价钝化零件的表面。要回答的问题是,“钝化是否去掉了游离铁,并优化了可自由加工不锈钢的防腐性能?”

测试方法必须与接受评价的不锈钢牌号相匹配。测试太严厉将使完好的材料不合格,而太宽松又将使不满意的零件通过测试。

400系列沉析硬化和可自由加工不锈钢,最好在可以维持100%的湿度(样品保持湿状态)和95°F (35℃)的柜中保持24小时再进行评价。横截面通常是最关键的表面,尤其是对可自由加工不锈钢牌号而言。其中的一个理由是,在加工方向中延长的硫化物,会与该表面交叉。

关键表面应该朝上放置,但是要与垂直方向成15~20度角,以便湿气逸出。经过适当钝化的材料,几乎不会有任何锈蚀,尽管会显示某些轻微的污点。

奥氏体难加工不锈钢,也可以用湿度测试来进行评价。在进行这样的测试时,样品的表面应该存在水滴,通过任何锈蚀的存在来暴露游离铁。

采用ASTM A380“不锈钢零件、设备和系统清洗、去氧化皮及钝化的标准做法”中提供的一种溶液,可以采用更快的方法。该测试包括,用硫化铜/硫酸溶液对零件进行清洗,将湿度保持6分钟,观察是否存在任何镀铜的痕迹。作为一种可替选方法,可以将零件在溶液中浸泡6分钟。如果铁被溶解,则发生了镀铜现象。该测试不应该在用于食物处理的零件表面上使用。此外,该测试还不应该用于马氏体或400系列低铬铁素体不锈钢中,因为有可能会发生假阳性结果。

以前,还有在95°F (35℃)温度下、用5%盐雾实验来评价钝化样品的方法。该实验,对某些牌号的不锈钢而言太严厉,一般无须确认钝化有效。

注意事项

在进行钝化之前,一定要首先清洗,以清除所有氧化物微粒或回火色。

一定要避免可能会引起发生危险的快速腐蚀反应的过量氯化物。在可能的情况下,只能采用氯化物含量小于50ppm的水。自来水通常就足够了,在某些情况下,氯化物为几百ppm也可以。

要定期更换酸浴,以免发生可能会导致发生快速腐蚀反应并损坏零件的钝化能力降低现象。酸浴应该维持在适当的温度上,因为温度失控可能会引起局部化学反应。

在生产批量较高的情况下,要对溶液的更换维持指定的日程,以减少污染的可能性。要用控制样品来测试酸浴的有效性。如果样品发生化学反应,则要更换酸浴。

只能用某些特定的机床来制造不锈钢;要采用相同的冷却液来切削不锈钢,并排除所有其它金属。

要将零件单独堆放进行处理,以免金属之间接触。这一点对于可自由加工不锈钢来说非常重要,因为它们需要用钝化和清洗液来逸散因硫化物而产生的腐蚀品并避免酸阱。

不要钝化碳化或氮化的不锈钢零件。因为这样处理过的零件,可能会将防腐能力下降到易受钝化浴攻击的程度。

在不是特别干净的车间环境中,不要采用含有铁的刀具。通过采用硬质合金或陶瓷刀具可以避免钢砂。

不要忘记,如果零件热处理不当,则有可能会在钝化浴中发生化学反应。高碳、高铬马氏体不锈钢必须加以硬化来防腐。

在随后的退火处理后,要频繁地用维持防腐能力的温度来进行钝化。

不要忽视柠檬酸在钝化浴中的浓度。该浓度应该用可以从Carpenter公司获得的、简单的滴定过程来定期检查。

一次不要钝化多个不锈钢件。这样可以防止出现代价高昂的混淆,并避免电化反应。

作者简介:Terry A. DeBold是Carpenter技术有限公司(位于宾夕法尼亚州雷丁市)不锈钢合金研发领域的专家,James W. Martin是棒料冶金领域的专家。

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