主题：【转帖】焊接不锈钢的电化学抛光

焊接不锈钢的电化学抛光

曹经倩,刘炳根,周　雅(南昌航空工业学院材料系,江西南昌330034)

0 前　言　　
　　不锈钢具有较高的耐蚀性和装饰性,被广泛运用于各领域之中。有关不锈钢表面的抛光工艺,前人进行了大量的研究,工业上常用于不锈钢电化学抛光的电解液主要有Ｈ3ＰＯ4 Ｈ2ＳＯ4体系、ＨＣｌＯ4 Ｃ2Ｈ5ＯＨ体系、ＨＣｌＯ4 冰醋酸体系、Ｈ2ＣｒＯ4 ＨＮＯ3体系等[1],目前使用较多的是Ｈ3ＰＯ4 Ｈ2ＳＯ4体系。然而,目前对有焊缝的不锈钢抛光则研究甚少,也未见一个完整的处理工艺报导。不锈钢焊缝因有严重的氧化黑皮和焊渣,利用常规抛光工艺难以达到技术要求。江西景德镇市某厂就因不锈钢产品结构复杂,造成焊缝的焊渣难以实施手工机械抛光而成为一攻关难题。作者经反复实验后,确定了以电化学去氧化皮→电化学抛光的不锈钢表面抛光工艺,经该工艺处理后,不锈钢表面及焊缝均达镜面光亮且不腐蚀不锈钢表面。
1　试验方法
1.1 试验材料
　　1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ奥氏体不锈钢(规格100ｍｍ×58ｍｍ,中间有焊缝)。
1.2 工艺流程
　　除油→水洗→去氧化皮→水洗→酸洗→水洗→光亮浸蚀→水洗→电化学抛光→钝化→水洗→吹干。
1.3 去氧化皮处理液及工艺条件
　　ＮａＯＨ　95～105ｇ/Ｌ,Ｎａ2ＣＯ3　100～200ｇ/Ｌ,ＫＭｎＯ4　80～90ｇ/Ｌ。化学处理法:温度　95～110℃,时间　1.5～3.0ｈ。电化学处理法:温度　60～70℃,时间　7～9ｍｉｎ,ＪＡ=35～45Ａ/ｄｍ2,阴极为铅板。
1.4 电化学抛光液及操作条件的优选
　　经试验优化,最佳工艺配方确定为:Ｈ3ＰＯ4(85%)　740～770ｍＬ/Ｌ,Ｈ2ＳＯ4(98%)　180～210ｍＬ/Ｌ,ＣｒＯ3　50ｇ/Ｌ,添加剂(明胶)8～10ｍＬ/Ｌ,溶液密度1.70～1.78ｇ/ｃｍ3,温度55～65℃,ＪＡ=35～45Ａ/ｄｍ2,电压10～20Ｖ,时间4～5ｍｉｎ,阴极为铅板。
1.5　检测方法
　　(1)目测法　经上述工艺抛光后,目测表面有无划痕、变形、方向性、不锈钢及其焊缝光亮性。(2)耐蚀性测定　抛光后在3%的ＮａＣｌ溶液中浸泡一周,检测不锈钢表面是否出现黄色锈点。
2　结果与分析
2.1 去氧化皮处理
　　不锈钢焊接区由于高温氧化作用,局部表面生成一层致密的难溶氧化铁铬(ＦｅＯＣｒ2Ｏ3)黑皮和焊渣。去除该层氧化皮的方法较多,工业上主要采用化学处理法[2],主要借助氧化剂(ＫＭｎＯ4、ＮａＮＯ3、ＨＮＯ3、Ｈ2Ｏ2等)的作用使低价铁铬等氧化物转变为高价化合物,转变过程中,氧化膜的结构发生变化,附着力降低以致脱落。这种处理方法需2ｈ以上,生产效率低,更重要的是不锈钢焊接区的粗糙、疏松表面易遭受过腐蚀。本文对3种处理方法进行了实验对比,结果见表所示。


试验结果表明,采用化学处理法均未能达到预期效果;酸性化学处理法尽管时间较短,温度较低,但易出现过腐蚀现象;而碱性化学处理法则使用温度高,处理时间长;电化学抛光所得结果则优于两种化学处理法。究其原因,是在通电情况下,促使低价金属氧化物向高价氧化物转化的动力,主要是阳极电解所产生的初生态的氧原子[Ｏ],而氧化剂的作用已降为次要地位,即:ＦｅＯＣｒ2Ｏ3→[Ｏ]ΔＦｅ2Ｏ3ＣｒＯ3,使难溶的氧化铁铬疏松和分离;又由于初生的氧原子[Ｏ]能与基体金属表面作用,生成新生氧化膜,这种氧化膜在电场力的作用下以及在酸性介质中可以随生随灭,最终使黑皮和焊渣疏松,而溶液中的氧化剂更重要的是对不锈钢表面的钝化作用,保护了不锈钢表面免遭腐蚀。在电化学处理液中,增加氧化剂浓度和提高阳极电流密度,均有利于氧化黑皮的去除。但均不能过度,一般高锰酸钾控制在80～90ｇ/Ｌ,电流密度以35～45Ａ/ｄｍ2为佳。
2.2 电化学抛光试验
　　选用了抛光质量较好、溶液使用寿命较长的Ｈ3ＰＯ4 Ｈ2ＳＯ4体系[3]进行研究,配方组成和工艺参数如下:Ｈ3ＰＯ4(85%)540ｍＬ/Ｌ,Ｈ2ＳＯ4(98%)400ｍＬ/Ｌ,ＣｒＯ350ｇ/Ｌ,明胶8～10ｍＬ/Ｌ,密度1.75～1.82ｇ/ｃｍ3,ＪＡ=35Ａ/ｄｍ2,温度50～60℃,槽压10～20Ｖ,时间4～5ｍｉｎ,阴极为铅板。试验发现,该配方存在易吸水、不锈钢表面产生点蚀等缺陷,尤其是存放一段时间后,当溶液密度低于1.75ｇ/ｃｍ3时,会造成不锈钢表面的过腐蚀。我们对磷酸、硫酸和铬酸的含量比进行了重新分析,并通过正交试验确定了最佳工艺配方。
　　实验还发现硫酸是影响电化学抛光质量最重要的因素,并对此作了进一步分析,结果当硫酸含量为100ｍＬ/Ｌ时,试片表面平整性、光亮度较差;含量为150ｍＬ/Ｌ时,试片表面平整、光亮;含量为200ｍＬ/Ｌ时,试片表面平整、光亮;含量为250ｍＬ/Ｌ时,稳定性差,试片易产生点蚀。可见当硫酸含量低于100ｍＬ/Ｌ时,抛光后零件光亮度较差,达不到镜面光亮;高于250ｍＬ/Ｌ时,抛光液稳定性较差, 易吸水,抛光表面出现点蚀。一般控制在180～210ｍＬ/Ｌ为宜。磷酸是公认的粘膜理论中电化学抛光的主要成分,既能起溶解作用又能在不锈钢表面形成磷酸盐保护膜,阻止不锈钢表面发生过腐蚀。其含量变化较宽,但以750ｍＬ/Ｌ左右为佳。铬酐在电化学抛光液中以Ｈ2Ｃｒ2Ｏ7形式存在,有很强的氧化性,能使不锈钢表面钝化,避免抛光表面产生过腐蚀,有利于提高抛光表面的光亮度,试验表明其含量应控制在50～60ｇ/Ｌ。所施加的电抛光工艺参数如电流密度、温度、阴阳极间距等,也会对抛光表面质量产生影响。提高抛光温度,会提高抛光速度,但过高会腐蚀表面或使表面产生气带条纹,影响抛光质量;温度过低,抛光整平效果明显下降。电流密度对抛光质量的影响亦较大,当ＪＡ=25Ａ/ｄｍ2时,试片表面光亮,有少量清晰的磨痕;ＪＡ=40Ａ/ｄｍ2时,试片表面光亮;ＪＡ=55Ａ/ｄｍ2时,试片表面光亮,抛光液升温速度快。可见,ＪＡ以40Ａ/ｄｍ2左右为宜。
3 结　论
　　通过试验研究和生产应用表明,按最佳工艺条件:Ｈ3ＰＯ4740～770ｍＬ/Ｌ,Ｈ2ＳＯ4180～210ｍＬ/Ｌ,ＣｒＯ350ｇ/Ｌ,明胶8～10ｍＬ/Ｌ,ＪＡ=35～45Ａ/ｄｍ2,温度55～65℃,时间4～5ｍｉｎ,阴板为铅板,对不锈钢焊逢实施抛光后能使不锈钢表面及其焊缝达到镜面光亮,且不会腐蚀基体。碱性电化学法去除氧化黑皮效率高、清除快;试验所得的抛光液具有稳定性高、使用寿命长、能耗低的特点,在含有少量水分(<80ｍＬ/Ｌ)的情况下亦有较好的抛光效果,不会产生点蚀。