發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸用鋼管酸洗試驗(yàn)研究

彭福本，蔡 煜

（1. 江蘇長(zhǎng)強(qiáng)鋼鐵有限公司，江蘇 泰州 214500；2. 江蘇常寶普萊森鋼管有限公司，江蘇 常州 213200）

鋼管酸洗是鋼管冷拔前的一道重要工序［1-10］。某公司生產(chǎn)的S45C 發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸用鋼管母管在冷拔酸洗過(guò)程中出現(xiàn)外表面針孔、有刺鼻氣味氣體散發(fā)的情況。為了解決此問(wèn)題，現(xiàn)采用對(duì)比試驗(yàn)方法，研究硫酸酸洗對(duì)S45C 發(fā)動(dòng)機(jī)凸輪軸用鋼管表面質(zhì)量的影響。

1 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

1.1 試驗(yàn)材料及試驗(yàn)儀器

選用Φ34 mm×6 mm 規(guī)格S45C 光亮管，沿著其縱軸方向截取長(zhǎng)度為20 mm 的試驗(yàn)樣管。試驗(yàn)儀器選用上海比朗儀器制造有限公司的SC-30 恒溫水浴槽，溫度范圍為室溫到100 ℃。

1.2 試驗(yàn)方法

在同一支鋼管上截取16 根長(zhǎng)度為20 mm 樣管，編號(hào)1～8 為光亮管，編號(hào)9～16 是經(jīng)650 ℃保溫10 min 后外表面形成一層氧化皮的樣管。將兩種類型的樣管用硫酸進(jìn)行酸洗，觀察酸洗對(duì)其外表面的影響。試驗(yàn)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 S45C 樣管酸洗試驗(yàn)參數(shù)

（1） 觀察在20%硫酸體積分?jǐn)?shù)條件下酸洗溫度及表面狀態(tài)對(duì)S45C 樣管外表面的影響。將S45C樣管（光亮管與外表面氧化管各1 件）在兩種溫度（60 ℃和70 ℃）、體積分?jǐn)?shù)為20%的硫酸中進(jìn)行酸洗，保溫時(shí)間為15 min，表1 中序號(hào)a 和序號(hào)c。

（2） 觀察在20%硫酸體積分?jǐn)?shù)條件下酸洗時(shí)間及表面狀態(tài)對(duì)S45C 樣管外表面的影響。將S45C樣管（光亮管與外表面氧化管各1 件）在兩種溫度（60 ℃和70 ℃）、體積分?jǐn)?shù)為20%的硫酸中進(jìn)行酸洗，保溫時(shí)間為30 min，與保溫時(shí)間為15 min 的試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，表1 中序號(hào)b 及序號(hào)d。

（3） 觀察硫酸體積分?jǐn)?shù)及表面狀態(tài)對(duì)S45C 樣管外表面的影響。將S45C 樣管（光亮管與外表面氧化管各1 件）在兩種溫度（60 ℃和70 ℃）、體積分?jǐn)?shù)從20%降低至15%的硫酸中進(jìn)行酸洗，保溫時(shí)間為15 min 及30 min，表1 中序號(hào)e～h。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

選用的S45C 樣管的化學(xué)成分見(jiàn)表2，其金相組織及夾雜物等級(jí)見(jiàn)表3，硬度見(jiàn)表4，可見(jiàn)該樣管本身及氧化處理后的樣管的各項(xiàng)性能均符合要求。截取的樣管用丙酮以及無(wú)水乙醇進(jìn)行清洗并編號(hào)，如圖1 所示。

圖1 清洗后的S45C 樣管

表2 S45C 樣管化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）%

表3 S45C 樣管金相組織及夾雜物等級(jí) 級(jí)

表4 S45C 樣管硬度HRB

2.1 酸洗溫度對(duì)S45C 外表面的影響

將1 號(hào)與9 號(hào)樣管用體積分?jǐn)?shù)為20%、溫度為60 ℃的硫酸進(jìn)行酸洗，3 號(hào)與11 號(hào)樣管用體積分?jǐn)?shù)為20%、溫度為70 ℃的硫酸進(jìn)行酸洗，保溫時(shí)間均為15 min。

（1） 在60 ℃酸洗保溫15 min 的特征。樣管剛放入溶液后反應(yīng)劇烈，有刺鼻的氣味散發(fā)，兩種類型的樣管反應(yīng)程度基本一致，其中1 號(hào)樣管（光亮管）起初反應(yīng)稍劇烈。保溫15 min 后將樣管拿出清洗，外表面及端面狀態(tài)如圖2 所示。可以看出，兩種類型的樣管在酸洗后表面狀態(tài)基本一致，外表面無(wú)針孔產(chǎn)生，偶有線性缺陷，但端面有明顯疏松及針孔。

圖2 S45C 樣管在60 ℃的20%硫酸中酸洗15 min 后的狀態(tài)

（2） 在70 ℃酸洗保溫15 min 的特征。樣管剛放入溶液，反應(yīng)較60 ℃劇烈，有刺鼻的氣味散發(fā)，兩種類型的樣管反應(yīng)程度基本一致，其中3 號(hào)樣管（光亮管）起初反應(yīng)稍劇烈。保溫15 min 后將樣管拿出清洗，外表面及端面狀態(tài)如圖3 所示。可以看出，兩種類型的樣管在酸洗后表面狀態(tài)基本一致，外表面無(wú)針孔產(chǎn)生，偶有線性缺陷，端面有明顯疏松及針孔，但較60 ℃嚴(yán)重。

圖3 S45C 樣管在70 ℃的20%硫酸中酸洗15 min 后的狀態(tài)

2.2 酸洗時(shí)間對(duì)S45C 外表面的影響

將2 號(hào)與10 號(hào)樣管用體積分?jǐn)?shù)為20%、溫度為60 ℃的硫酸進(jìn)行酸洗，4 號(hào)與12 號(hào)樣管用體積分?jǐn)?shù)為20%、溫度為70 ℃的硫酸進(jìn)行酸洗，保溫時(shí)間均為30 min。

（1） 在60 ℃酸洗保溫30 min 的特征。樣管剛放入溶液，反應(yīng)劇烈，有刺鼻的氣味散發(fā)，兩種類型的樣管反應(yīng)程度基本一致，2 號(hào)樣管（光亮管）起初反應(yīng)稍劇烈。保溫30 min 后將樣管拿出清洗，外表面及端面狀態(tài)如圖4 所示，可以看出，兩種類型的樣管在酸洗后表面狀態(tài)基本一致，外表面無(wú)針孔產(chǎn)生，偶有線性缺陷；端面有明顯疏松及針孔，較60 ℃+15 min 嚴(yán)重。

圖4 S45C 樣管在60 ℃的20%硫酸中酸洗30 min 后的狀態(tài)

（2） 在70 ℃酸洗保溫30 min 的特征。樣管剛放入溶液，反應(yīng)劇烈，有刺鼻的氣味散發(fā)，兩種類型的樣管反應(yīng)程度基本一致，其中4 號(hào)樣管（光亮管）起初反應(yīng)稍劇烈。保溫30 min 后將樣管拿出清洗，外表面及端面狀態(tài)如圖5 所示，可以看出，兩種類型的樣管在酸洗后表面狀態(tài)基本一致，外表面無(wú)針孔產(chǎn)生，偶有線性缺陷；端面有明顯疏松及針孔，較前三者嚴(yán)重。

圖5 S45C 樣管在70 ℃的20%硫酸中酸洗30 min 后的狀態(tài)

2.3 硫酸體積分?jǐn)?shù)對(duì)S45C 外表面的影響

改變硫酸體積分?jǐn)?shù)至15%，分別將S45C 樣管在60 ℃及70 ℃下進(jìn)行酸洗，分別保溫15 min 及30 min。

（1） 酸洗溫度的影響。

將5 號(hào)、7 號(hào)、13 號(hào)、15 號(hào)樣管用體積分?jǐn)?shù)為15%的硫酸進(jìn)行酸洗。其中，5 號(hào)與13 號(hào)的酸洗溫度為60 ℃，7 號(hào)與15 號(hào)的酸洗溫度為70 ℃，保溫時(shí)間均為15 min。

在兩個(gè)溫度段將樣管放入溶液，反應(yīng)較體積分?jǐn)?shù)為20%的硫酸弱，有刺鼻的氣味散發(fā)，兩種類型的樣管反應(yīng)程度基本一致，其中5 號(hào)、7 號(hào)樣管（光亮管）起初反應(yīng)稍劇烈。保溫15 min 后將樣管拿出清洗，60 ℃和70 ℃酸洗時(shí)樣管的外表面及端面狀態(tài)如圖6～7 所示。可以看出，兩種類型的樣管在酸洗后表面狀態(tài)基本一致，外表面無(wú)針孔產(chǎn)生，偶有線性缺陷，端面有明顯疏松及氣孔，但70 ℃酸洗時(shí)較60 ℃嚴(yán)重。

圖6 S45C 樣管在60 ℃的15%硫酸中酸洗15 min 后的狀態(tài)

圖7 S45C 樣管在70 ℃的15%硫酸中酸洗15 min 后的狀態(tài)

（2） 保溫時(shí)間的影響。

將6 號(hào)（光亮管）、8 號(hào)（光亮管）、14 號(hào)、16 號(hào)樣管用體積分?jǐn)?shù)為15%的硫酸進(jìn)行酸洗。其中，6號(hào)與14 號(hào)的酸洗溫度為60 ℃，8 號(hào)與16 號(hào)的酸洗溫度為70 ℃，保溫時(shí)間均為30 min。

在兩個(gè)溫度段將樣管放入溶液，反應(yīng)較體積分?jǐn)?shù)為20%的硫酸弱，有刺鼻氣味散發(fā)，兩種類型的樣管反應(yīng)程度基本一致，6 號(hào)、8 號(hào)樣管起初反應(yīng)稍劇烈。保溫30 min 后將樣管拿出清洗，60 ℃和70 ℃酸洗時(shí)樣管的外表面及端面狀態(tài)如圖8～9所示?？梢钥闯?，兩種類型的樣管在酸洗后表面狀態(tài)基本一致，外表面無(wú)針孔產(chǎn)生，偶有線性缺陷，端面有明顯疏松及氣孔，70 ℃較60 ℃嚴(yán)重。

圖8 S45C 樣管在60 ℃的15%硫酸中酸洗30 min 后的狀態(tài)

圖9 S45C 樣管在70 ℃的15%硫酸中酸洗30 min 后的狀態(tài)

2.4 小結(jié)

通過(guò)上述分析，可得S45C 樣管在不同酸洗工藝下的酸洗試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表5，發(fā)現(xiàn)酸洗溫度、酸洗時(shí)間與酸洗表面缺陷的嚴(yán)重程度成正比。

隨后對(duì)上述腐蝕嚴(yán)重的樣品縱剖磨制縱向，均未在其外表面發(fā)現(xiàn)明顯缺陷。

3 結(jié)論

（1） 硫酸體積分?jǐn)?shù)降低時(shí)，S45C 樣管在相同溫度及保溫時(shí)間下的腐蝕程度降低。在相同體積分?jǐn)?shù)的硫酸條件下，S45C 樣管的腐蝕程度隨酸洗溫度及保溫時(shí)間增加而增加。與S45C 氧化管相比，光亮管在硫酸溶液中的起初反應(yīng)更劇烈。

（2） S45C 樣管放入溶液有刺鼻氣味散發(fā)，稀硫酸與鐵反應(yīng)產(chǎn)生硫酸亞鐵及氫氣，產(chǎn)生的主要是氫氣，同時(shí)有微量的酸霧（氫氣泡在液面破裂時(shí)帶出的微小液滴），在加熱狀態(tài)下酸霧揮發(fā)嚴(yán)重，因此具備刺激性，屬于正常化學(xué)反應(yīng)。

（3） 鑒于之前酸洗一直使用的是S45C 氧化管，結(jié)合試驗(yàn)，建議將此批光亮汽車母管（表面基本無(wú)氧化皮）的酸洗工藝調(diào)整為：硫酸體積分?jǐn)?shù)從20%調(diào)整為15%，酸洗時(shí)間從10 min 調(diào)整為5 min，溫度從60～70 ℃調(diào)整為50～60 ℃。采取調(diào)整后的酸洗工藝時(shí)，酸洗氣味和表面質(zhì)量得到明顯改善。