銑削加工參數對304奧氏體不銹鋼耐蝕性的影響

周 宇

(1. 武漢船舶職業(yè)技術學院 機械工程學院，武漢 430050； 2. 華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

銑削加工參數對304奧氏體不銹鋼耐蝕性的影響

周 宇1,2

(1. 武漢船舶職業(yè)技術學院 機械工程學院，武漢 430050； 2. 華中科技大學 機械科學與工程學院，武漢 430074)

利用電化學動電位極化法測試了不同銑削加工參數下304奧氏體不銹鋼的腐蝕行為。結果表明:銑削加工后材料的耐蝕性高于原始材料的。耐點蝕能力隨著銑削加工進給率和切削速率的上升而下降，不同加工參數之間材料的點蝕電位差高達138 mV，表明銑削加工參數對于奧氏體不銹鋼的耐蝕性有著強烈的影響。

不銹鋼；銑削加工；極化；點蝕

奧氏體不銹鋼因具有良好的耐蝕性而廣泛地應用于壓力容器和核電設備之中。奧氏體不銹鋼的耐蝕性主要源自其表面氧化后形成的富鉻鈍化膜，然而這種鈍化膜在含氯離子的介質中對于局部腐蝕比較敏感，易發(fā)生點蝕和應力腐蝕從而導致嚴重的安全事故。點蝕是一種發(fā)生于材料表面的局部性、坑洞型腐蝕，多項研究已表明不銹鋼的點蝕與應力腐蝕有著特定的聯(lián)系；點蝕坑附近的高應力場和局部酸性環(huán)境能夠提供裂紋萌生的初始條件[1]；而點蝕生長過程中產生的動態(tài)塑性應變以及點蝕坑周圍微小的不規(guī)則裂紋可能是誘發(fā)應力腐蝕裂紋的關鍵因素[2-3]。目前對于不銹鋼表面點蝕的影響因素主要集中于表面粗糙度[4-6]、工作應力與殘余應力[1，7-8]、夾渣[1，9]、相變[10]和溫度[11]等方面。

不同的加工工藝與方法(切削、磨削、冷軋)都會對奧氏體不銹鋼零部件(水泵、管道)的表面完整性造成影響，進而影響這些零部件在服役期間的耐蝕性[12-17]。銑削加工是一種重要的零部件成形加工工藝，近年來隨著刀具材料和機床性能的提升，銑削已經越來越多地被用作零部件加工的最終工序。目前，國外學者針對加工工藝方法對不銹鋼耐蝕性的影響已經有了一些定性的研究結果[18-26]。胡鋼、許淳淳等[27-28]研究了奧氏體不銹鋼在拉伸變形條件下的馬氏體相變及其抗腐蝕性能。李峰等[29]在此基礎上進一步研究了材料在溴醋酸環(huán)境中的腐蝕行為。楊獻金等[30]對比研究了奧氏體材料和鐵素體材料的加工性能和抗腐蝕性能。李巖等[31]研究了不銹鋼點蝕轉變?yōu)閼Ωg的Cl-臨界濃度。韓恩厚、李勁等[32-33]探索了不銹鋼的腐蝕機制和評價方法。目前，有關銑削參數與不銹鋼耐蝕性關系的系統(tǒng)研究尚不多見。因此，本工作采用電化學法定量評估銑削參數對304奧氏體不銹鋼耐蝕性的影響。

1 試驗

1.1 試樣

試驗材料為304奧氏體不銹鋼，其主要化學成分為：wSi0.85%,wS0.018%,wCr18.31%,wMn0.92%,wNi8.04%,wP0.03%,wC0.05%,余量為鐵。采用線切割方法將不銹鋼板材切割成300 mm×30 mm×30 mm的條狀試樣，經過1 050 ℃固溶處理60 min后，水淬。最終將材料線切割為100 mm×30 mm×5.5 mm的試樣。

1.2 銑削加工試驗

銑削加工的主要加工參數為：切削速率vc(m/min)、進給率f(mm/rev)和切削深度ap(mm)。銑削試驗中將切削深度固定為0.5 mm,切削速率和進給率作為兩個變量構成田口正交矩陣,見表1。其中，120 m/min的切削速率略高于不銹鋼加工中導致刀具形成積屑流的切削速率，450 m/min代表高速銑削加工參數。銑削試驗采用面銑的形式在銑削加工中心上進行，采用六刀片盤式銑刀，刀具進給方向為試樣長度方向。

表1 田口正交矩陣Tab. 1 Taguchi orthogonal arrays

為了進行對比研究，用600,1200,2 400號的金剛石研磨膏逐級對一塊待加工試樣進行研磨加工，研磨得到的試樣標號為17號。

所有加工過的試樣被線切割為兩種尺寸：尺寸為10 mm×10 mm×5 mm的試樣用于電化學試驗(記作試樣Ⅰ)，尺寸為50 mm×10 mm×5 mm的試樣用于表面完整性測試(記作試樣Ⅱ)。

1.3 表面完整性測試

表面粗糙度采用Taylor-Hobson表面輪廓儀，根據ISO4287-1997標準在試樣加工表面沿著試樣長度方向測量。表面硬度采用維式顯微硬度法測量，壓頭載荷2 N(HV200)。所有的測量在試樣加工表面的不同點重復3次，取平均值。

另一方面，一次性的塑料吸管在整體塑料垃圾中的占比非常低，就它本身來說，對地球生態(tài)環(huán)境的影響也沒有人們所預想的那樣顯著（對比起來，就連漁業(yè)器械的危害也比塑料吸管要大很多）。那么，如果塑料吸管只是一個大問題中的微小部分，為什么我們不把花在抵制塑料吸管上的時間和金錢用到其他更有效率的環(huán)節(jié)（譬如對塑料制品的整體監(jiān)管）呢？

1.4 電化學試驗

采用動電位極化法測試試樣的耐蝕性。試樣Ⅰ經過超聲丙酮清洗后，采用環(huán)氧樹脂封裝，露出10 mm×10 mm的工作面。試樣背面焊接銅線。電化學試驗采用三電極系統(tǒng)，參比電極為飽和甘汞電級(SCE)，輔助電極為鉑電極,工作電極為試樣Ⅰ。試驗溶液為0.1 mol/L NaCl溶液。將工作電極置于室溫溶液中浸泡30 min；體系穩(wěn)定后，從-500 mV開始，以30 mV/min的速率向陽極方向進行動電位掃描直到1 200 mV。每個試樣重復3次試驗，取平均值。

2 結果與討論

2.1 表面完整性與加工參數的關系

由圖1可見，304奧氏體不銹鋼銑削加工過程中，表面粗糙度隨著進給率的增加而增加，這一特點在大切削速率(315，450 m/min)的條件下表現(xiàn)得尤其明顯。需指出，16號試樣表面粗糙度Ra為10.5 μm，明顯高于其他試樣的；由于圖形顯示比例的原因，未在圖中繪出。這表明16號試樣所采用的銑削加工參數已經超出了機床和刀具的承受能力。試驗測得的最小表面粗糙度來自于5號試樣為0.227 μm。試驗結果表明，在中等切削速率(220,315 m/min)的條件下配合較小的進給率(1,0.2 mm/rev)能夠得到較好的不銹鋼表面質量。

研磨加工的17號試樣表面粗糙度為0.072 μm，經過2 400號研磨膏加工后試樣表面光潔度明顯優(yōu)于經過銑削加工試樣的。

圖1 銑削加工參數與表面粗糙度的關系Fig. 1 Relation between surface roughness and milling parameters

由圖2可見，銑削加工表面的硬度隨著進給率的增加而快速上升。6號試樣表面的硬度最小，為282 HV，11號試樣表面的硬度最大，為401 HV。17號試樣表面的硬度為241 HV，即銑削試樣的硬度超過研磨試樣的。這表明在304奧氏體不銹鋼銑削加工過程中，其表面層微觀組織發(fā)生了明顯的改變，工程中通常將這一厚度約為100 μm的變性組織稱為加工硬化層或者白層。之前的研究表明，加工硬化層的硬度上升主要來自于加工造成的表面塑性變形和馬氏體相變[34-37]。

圖2 銑削加工參數與表面硬度的關系Fig. 2 Relation between micro-hardness and milling parameters

2.2 耐蝕性與加工參數的關系

圖3 試樣在0.1 mol/L NaCl溶液中的極化曲線Fig. 3 Polarization curves of samples in 0.1 mol/L NaCl solution

由圖4可見，隨著進給率的上升，銑削試樣的點蝕電位和鈍化區(qū)間都有明顯下降,表明高速銑削條件下，304奧氏體不銹鋼抗點蝕性能劇烈下降。由圖4還可見，17號試樣的點蝕電位為286 mV，銑削試樣在低進給率(0.2 mm/rev)的條件下，其耐點蝕性能都優(yōu)于研磨試樣的。隨著進給率的上升，當切削速率vc≥315 m/min時，銑削試樣的耐點蝕性開始弱于研磨試樣的。最大進給率條件下(f=0.4 mm/rev)，所有銑削試樣的耐點蝕性能都弱于研磨試樣的。

表2 極化曲線擬合參數Tab. 2 Polarization curve fitting parameters

(a) 點蝕電位 (b) 鈍化區(qū)間圖4 點蝕電位與鈍化區(qū)間的變化規(guī)律Fig. 4 Changing law of pitting potential (a) and passivation region variation (b) with feed rates

2.3 討論

304奧氏體不銹鋼在銑削加工過程中，由于應變率、切削溫度、材料本構方程之間復雜的作用關系，導致材料表面發(fā)生了位錯滑移、馬氏體相變、表面粗糙度變化以及化學元素偏析等物理和化學變化，從而得到性能完全不同于原始材料的加工表面硬化層。這種表面硬化層對于304奧氏體不銹鋼的耐蝕性產生了非常復雜的影響。試驗根據GB 8362-1987標準，采用島津XRD-7000S型X射線衍射儀對試樣表面進行了物像分析和計算。由圖5可知，17號試樣的金相組織為單一的均勻奧氏體。圖6(a)表明1號試樣經過銑削加工后，在厚度方向上發(fā)生了嚴重的金相分層，其加工表面層為非晶質層，看不到明顯的晶粒結構，而且圖6(b)的X射線衍射圖中清晰地表明了1號銑削試樣表面發(fā)生了α馬氏體相變和ε馬氏體相變。17號試樣的表面粗糙度為0.072 μm，是所有試樣中最光滑的，但其自腐蝕電位卻負于所有銑削試樣的。這表明由不同加工方式得到的奧氏體不銹鋼材料，并不適合以表面粗糙度參數來衡量其耐蝕性。銑削過程中，材料表面經過快速的高溫大應變，會同時發(fā)生滑移位錯、晶粒細化、馬氏體相變和鉻元素偏析?；莆诲e密度上升將導致材料電子工函數(electron work function,EWF)下降，電子易于逃脫；而相變得到的馬氏體相對于奧氏體是陽極，會優(yōu)先溶解，這兩者都會導致材料耐蝕性下降。而銑削加工試樣的耐蝕性全面優(yōu)于研磨試樣的，應該歸因于其表面硬化層晶粒細化和鉻元素偏析富集于表面層(試驗中曾用能量色散X射線光譜儀測量試樣的表面化學元素，發(fā)現(xiàn)銑削試樣的表面層鉻元素平均質量分數為18.71%，而研磨試樣的僅為18.30%)，這使得銑削試樣獲得了優(yōu)于原始材料的耐蝕性。對于在不同銑削參數條件下，試樣所表現(xiàn)出的先上升后下降的耐蝕性變化規(guī)律，是上述四種影響因素之間互相競爭的結果。

試驗還發(fā)現(xiàn)，銑削加工試樣的表面粗糙度變化規(guī)律與耐點蝕性能之間有較強的一致性：銑削參數越大，表面粗糙度越大，材料的耐點蝕性能越差。點蝕的發(fā)展規(guī)律包括：亞穩(wěn)態(tài)點蝕成核、擴展、穩(wěn)態(tài)點蝕。目前的研究已經表明，金相缺陷(夾渣、馬氏體相變)是亞穩(wěn)態(tài)點蝕成核的優(yōu)先發(fā)生點[1，9-10]，但大粗糙度所表征的材料微觀表面強烈的峰、谷高度差，以及點蝕過程中由于這種峰、谷高度差所形成的材料表面局部酸性環(huán)境，才是導致鈍化膜最終破裂，點蝕坑穩(wěn)定生長的關鍵因素[5-6]。所以在較小的銑削參數條件下，可獲得較好的表面粗糙度，能夠提高材料的耐點蝕性能。

(a) 金相

(b) XRD圖5 17號試樣的金相圖(a)與XRD衍射圖(b)Fig. 5 Optical micrograph (a) and X-ray diffraction pattern (b) of 17# specimen

(a) 金相

(b) XRD圖6 1號試樣的金相圖(a)與XRD衍射圖(b)Fig. 6 Optical micrograph (a) and X-ray diffraction pattern (b) of 1# specimen

3 結論

(1) 304奧氏體不銹鋼在銑削加工過程中會產生表面硬化層，不同的銑削參數能夠獲得不同的硬化層性能，該表面硬化層決定了材料的耐蝕性。

(2) 304奧氏體不銹鋼經過研磨加工后，能夠獲得最好的表面粗糙度，最低的表面硬度，但是并未獲得最好的耐蝕性。銑削加工試樣的耐蝕性優(yōu)于研磨加工試樣的。

(3) 隨著銑削參數的增大，304奧氏體不銹鋼的表面粗糙度逐漸上升，耐點蝕性能變差。不同銑削參數下試樣的點蝕電位差高達138 mV。

(4) 在較小的銑削參數條件下(f≤0.2 mm/rev，vc≤220 m/min)，304奧氏體不銹鋼能夠獲得較好的耐蝕性。

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Effects of Milling Parameters on the Corrosion Resistance of Type 304 Austenitic Stainless Steel

ZHOU Yu1,2

(1. School of Mechanical Engineering, Wuhan Institute of Shipbuilding Technology, Wuhan 430050, China;2. School of Mechanical Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, China)

The effects of milling parameters on the corrosion behavior of 304 austenitic stainless steel were investigated using electrochemical potentiodynamic polarization tests. The results indicated that the general corrosion resistance of the material after milling was superior to that of the original material. The pitting resistance decreased as the feed rate and cutting speed increased, a max reduction of 138 mV in pitting potential was observed for varying milling parameters, which indicates the intensive influence of milling parameters on the corrosion resistance of austenitic stainless steel.

stainless steel; milling; polarization; pitting

10.11973/fsyfh-201703014

2015-09-14

國家重點基礎研究發(fā)展計劃項目(2009CB724306)

周 宇(1983-),講師,博士研究生,從事先進加工技術與加工質量的相關工作研究,13487075441,stevenjaimy@163.com

TG172

A

1005-748X(2017)03-0222-06