凯发国际 影響17-4PH鋼精鑄件酸洗質量的因素

摘 要：精鑄件有其特殊性,影響精鑄件酸洗質量的因素不僅與合金的耐腐蝕性有關,更取決于酸洗液對鑄件氧化皮的清除能力。采用鹽酸型酸洗液取代硫酸或硝酸型酸洗液,乃是17-4PH鋼精鑄件酸洗的首選工藝方案。

  關鍵詞：精鑄件 17-4PH鋼 鹽酸型酸洗液

   國內外有關不銹鋼酸洗的資料很多,一般都認為Cr-Ni不銹鋼具有較好的耐硫酸、硝酸性但不耐鹽酸腐蝕,因此普遍采用硫酸型和硝酸型而拒絕鹽酸型酸洗液。生產實踐證明,常用酸洗液對17-4PH鋼精鑄件而言,很難獲得銀白色光亮的表面質量。本文以17-4PH鋼為例,探討影響該類鋼精鑄件酸洗質量的因素。
1 合金元素對17-4PH耐腐蝕性能的影響
表1為奧氏體、馬氏體和沉淀硬化不銹鋼的典型鋼種1Cr18Ni9,1Cr13和17-4PH的化學成分。表2給出這三種鋼耐腐蝕性能對比。綜合表1和表2可以知道:

表1 三種不銹鋼的化學成分 wB/%

(1)在相同條件下,17-4PH耐鹽酸腐蝕能力接近于1Cr18Ni9,但優于1Cr13。其原因在于17-4PH含銅,時效過程中富銅相析出,而銅在中等及其以下濃度(常溫)的鹽酸、硫酸中具有足夠好的化學穩定性。同時,17-4PH和1Cr18Ni9鎳的質量分數分別為4%和9%。鎳和氯離子、硫離子不易結合,化學穩定性高,因而使得耐鹽酸性提高,見圖1。

表2 三種不銹鋼在不同腐蝕條件下的耐腐蝕性能 mm/a

圖1 w(Ni)對鋼的耐腐蝕性能的影響

(2)17-4PH耐硫酸性明顯好于1Cr18Ni9并大大超過1Cr13,這也得益于其含銅相的存在。
(3)這三種鋼即使在沸騰的(HNO3)=40%硝酸溶液中仍表現出良好的耐腐蝕性,這是由于他們的鉻的質量分數在13%以上。鉻能提高鐵的電極電位,減輕酸的電化學腐蝕作用;更重要的是鉻與硝酸作用形成鈍化膜,保護了基體免遭電解質的侵蝕。
綜合上述分析,不難發現鹽酸對17-4PH的腐蝕遠比硫酸的腐蝕要低,而鹽酸與鑄件氧化皮反應速率又比硫酸強烈得多(下文要講述)。由此可以看出,只要控制適當的濃度和時間,用鹽酸為主的酸洗液對17-4PH進行表面處理是可行的。

2 加熱狀態對17-4PH鋼精鑄件耐腐蝕性的影響

2.1 時效溫度的影響

17-4PH精鑄件固溶后一般經450～600℃時效處理。由圖2可知,鑄件在480～550℃范圍內時效,其耐硫酸腐蝕性較好。過低的時效溫度會促進微細相的析出,反而造成腐蝕速率增大。較高溫度下時效常對其耐腐蝕性有利,當然這會相應降低力學性能。生產中,只要滿足力學性能指標,可以將時效溫度控制在480～520℃,這有助于改善鑄件合金的耐腐蝕性能。

圖2 17-4PH鋼的時效溫度與耐H2SO4腐蝕的關系

2.2 時效冷卻方式的影響
在同一時效溫度處理后,經水冷的鑄件其耐硝酸性優于空冷的鑄件,如圖3所示。水冷時,鑄件冷卻速率大,晶界附近鉻的碳化物析出量減少,鉻的鈍化能力增強,因而鑄件耐腐蝕性得以改善。另外,經水冷的鑄件,其表面氧化皮中FeO量增多,FeO很容易溶于還原性酸,尤其在鹽酸中的溶解速率很快,有利于縮短酸洗時間。

圖3 時效冷卻方式對17-4PH鋼耐腐蝕性能的影響[1]

3 酸洗液組分對17-4PH精鑄件酸洗質量的影響

3.1 精鑄件酸洗的特殊性

精鑄件型殼由石英、鋁礬土、剛玉或鋯英石等耐火材料構成,經高溫焙燒,形成5～20mm厚的陶瓷型殼,耐火度可達1700℃,硬度高,熱容量大,散熱慢。澆注后相當長一段時間內,鑄件在高溫下凝固、冷卻。所以精鑄件氧化皮較變形加工制品厚得多。與此同時,沉淀硬化鋼等含鉻量高的不銹鋼精鑄件,它們的氧化皮結構較復雜,含有較多的Cr2O3和尖晶石FeO・Cr2O3,以及硅酸鹽類型殼殘留物,這些氧化物一般難溶于單一的無機酸中。顯然,精鑄件的特殊性決定了其酸洗工藝必然不同于變形加工的制品。
3.2 鹽酸和硫酸

用鹽酸替代硫酸是鑄件酸洗的發展趨勢,其理由為:
(1)鹽酸在常溫下就已顯示出很強的溶解氧化皮的能力,在18℃時,氧化皮中鐵的低價氧化物FeO在(HCl)=15%的鹽酸溶液中的溶解速率達1.51g/h,而在(H2SO4)=15%的硫酸溶液中僅為0.056g/h,兩者之比達27。

(2)鹽酸能迅速溶解氧化皮,與基體金屬反應卻較緩慢,相反,氧化皮在硫酸中的溶解速率卻很慢,這樣當鑄件表面局部處較厚氧化皮被硫酸溶解干凈時,氧化皮較薄部位下的基體已遭受過度侵蝕,因此硫酸比鹽酸更易導致酸洗過度。

(3)鹽酸在酸洗過程中生成的氯化亞鐵溶解度大,不會留下殘渣,鑄件表面干凈。硫酸液中,由于水常含Ca2+因而容易生成CaSO4等難溶鹽,構成黑色殘渣沉淀在鑄件表面,影響表面質量。

(4)使用鹽酸酸洗鑄件時,約有40%的氧化皮被直接溶解脫落,基體金屬損失較少。至于硫酸,僅5%用于去除氧化皮,近一半轉為殘酸,其余則耗于基體的鐵損。由此可見使用鹽酸更為經濟。

(5)鹽酸在常溫時即可使用,而硫酸則需加熱到55～70℃才能明顯提高溶解氧化皮的速率。這在生產中意味著:對操作者不安全;添置酸液加熱裝置會增加精鑄車間成本。
3.3 硝酸和氫氟酸

硝酸屬強氧化劑,但在(HNO3)≤20%時氧化性較弱,合金中鐵損隨其濃度的增加而加快。硝酸在室溫時的臨界濃度為30%～50%,在此范圍內,基體中鐵和鉻被鈍化。另外,硝酸溶解氧化皮中鐵的低價氧化物FeO的能力遠不如鹽酸,但對于鉻的高價氧化物卻有很好的剝離脫落性能。據此認為,通常普遍使用的
(HNO3)=15%～20%的硝酸溶液作為精鑄件酸洗液主加組分并不合理,不過在鹽酸型酸洗液中加入低濃度的硝酸卻可起到氧化劑作用,中等以上濃度硝酸溶液則是鈍化光亮劑必不可缺的組分。氫氟酸不單獨使用,一般與硫酸或硝酸搭配,對精鑄件表面硅酸鹽類殘留型殼有較強的溶解性。氫氟酸屬劇毒品,加熱時其揮發物毒性更甚,與皮膚接觸能造成不易痊愈的灼傷,不建議使用。
3.4 氧化劑和活化劑

鑄件氧化皮中鉻的三價氧化物Cr2O3難溶于單一的酸中,但鉻的六價氧化物CrO3卻易溶于酸。因此可在鹽酸中添加適量的氧化劑如HNO3,NaNO3等,使得鉻的低價氧化物轉變成高價氧化物,加快酸洗液去除氧化皮的速度。相反,鐵的高價氧化物Fe3O4,Fe2O3在酸液中的溶解性遠比鐵的低價氧化物FeO差得多,將鹵素離子Cl-,F-等活化劑加入酸中,以置換氧化物中的氧,形成更多的FeO,可明顯提高酸洗能力。

4 預處理對17-4PH精鑄件酸洗質量的影響

精鑄件酸洗前預處理包括堿煮和拋丸(砂)。建議不采用450～500℃的堿煮配方,因為這對無堿液加熱裝置的精鑄車間并不適合。鑄件拋丸(砂)是松動氧化皮并使之趨于均勻的簡單有效方法。用石英、剛玉砂噴砂,鑄件表面粗糙度較拋鐵丸、鋼丸小,表面細致,但酸洗后易發黑,無光澤。拋丸則易獲得銀白色效果,比較而言,拋鋼丸效果更好。為了盡可能減薄氧化皮使之更均勻,可視氧化皮厚度重復拋丸、酸洗,給酸洗、鈍化創造有利條件,同時,還能消除酸洗中產生的黑斑等缺陷。


5  17-4PH精鑄件酸洗工藝的推薦方案

(1)酸洗流程:熱處理→(堿煮)→拋丸→酸1～3次洗→沖水→鈍化

(2)酸洗液組成:采用鹽酸型酸洗液,以鹽酸為活化劑,添加適量氧化劑硝酸,與緩蝕劑混合組成酸洗液,見表3。

注:鑄件經1080℃固溶處理,480℃×5h時效,水冷。鑄件未經堿煮。拋丸1次。室溫酸洗,并采用同一種鈍化液鈍化處理
表3 17-4PH鋼精鑄件在三種類型的酸洗液中酸洗質量對比

6 結 論

(1)凯发国际 影響17-4PH鋼精鑄件酸洗質量的因素不但與該鑄件合金的耐腐蝕性有關,更主要的是取決于酸洗液清除氧化皮的能力。

(2)鹽酸型酸洗液能快速有效地溶解氧化皮而對基體侵蝕很小,鈍化后的鑄件表面呈銀白色光澤,從而提高精鑄件的商品價值,乃是17-4PH鋼精鑄件酸洗的首選方案。 青島拋丸機 生產廠家青島淳九整理