拋光表面質量對不銹鋼制品耐蝕性能的影響

黃 佳 閻秋生 路家斌 劉炳耀 陳永錦

1.廣東工業大學，廣州，510006 2.新興縣萬事泰不銹鋼制品有限公司，云浮，527400

0 引言

不銹鋼制品因其色澤光亮、具有良好的耐蝕性能以及易于清洗等優點而迅速成為人們日常生活用品，但是不銹鋼制品在加工、運輸以及使用過程(尤其在氯離子環境)中容易出現白斑、銹斑、蝕孔等腐蝕缺陷，造成品質下降，因此不銹鋼制品的表觀質量問題是一個研究熱點。現有研究表明，金屬材料的微觀結構、表面加工狀態對其耐蝕性能具有重要影響［1-3］，材料表面質量越好，其腐蝕電位正移，亞穩態或穩態孔蝕就變得困難，表面狀態的改善會減少表面缺陷，能提高材料的耐蝕性能［4-6］。Burstein 等［7］認為，表面孔蝕活性點的“開放度”對亞穩態小孔形核和生長均有影響，并且發現表面越光滑、粗糙度越小，表面活性點越少，亞穩態孔的形核數目越小。

拋光是不銹鋼制品加工的最后一道工序，不同的拋光工藝直接決定了不銹鋼制品表面粗糙度及其狀態，從而影響其耐蝕性能。為了優化不銹鋼制品拋光工藝，控制加工成本，需要研究表面粗糙度對不銹鋼制品耐蝕性能的影響。本文通過對不銹鋼制品拋光工藝的分析，制備了不同表面粗糙度的304不銹鋼試樣，采用化學浸泡法和動電位極化曲線測量法研究了不銹鋼表面加工質量對其腐蝕性能的影響。

1 試驗方法

1.1 試樣制作

不銹鋼制品由不銹鋼板材經塑性成形加工而成，選擇不銹鋼制品常用的304不銹鋼材料制作試樣，從不銹鋼制品坯體上線切割出25mm×25mm×1.6mm和10mm×10mm×1.6mm兩種規格試樣(分別用于化學浸泡和動電位極化試驗)。試樣非工作面在焊接銅導線后用環氧樹脂固封，分別露出6.25cm2、1cm2工作面積，參照不銹鋼制品實際拋光加工工藝，用 100#、260#、600#、1000#砂紙單向打磨工作表面，得到不同的表面粗糙度，采用Mahr XT20粗糙度輪廓儀垂直于打磨方向測量其表面粗糙度，將每個試樣6個不同位置表面粗糙度的平均值作為該試樣的粗糙度。

1.2 化學浸泡試驗

根據國家標準《不銹鋼三氯化鐵點腐蝕試驗方法》［8］，化學浸泡試驗的腐蝕介質采用質量分數為6%的FeCl3溶液，腐蝕溫度為50℃恒溫，連續浸泡24h。腐蝕結束后，清除樣本上的腐蝕產物并洗凈烘干，以用于后續的形貌觀察和分析。用VHX600超景深數碼顯微系統和OLS4000激光共聚焦顯微鏡觀察腐蝕前后的表面形貌，對腐蝕坑的大小、數目、深度及分布情況進行觀察分析，用S－3400N(Ⅱ)掃描電鏡觀察腐蝕表面微觀形貌以深入研究表面粗糙度對304不銹鋼耐蝕性能的影響。

1.3 極化曲線測定

動電位極化測試采用Zahner IM6電化學綜合測試儀及三電極體系進行，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極，研究電極為工作面積為1cm2的方形試樣。腐蝕液為質量分數為3.5%的NaCl溶液，于試驗前充氮除氧，測試溫度為25℃。試樣浸入腐蝕液10min后，從自然電位開始，以20mV/min的電位掃描速度進行陽極極化，直到出現穩定點蝕為止。

2 結果討論

2.1 腐蝕前試樣的表面形貌

圖1 腐蝕前不同表面形貌樣本的光學顯微圖片

表1 不同試樣表面微觀形貌參數 μm

經不同粒度金剛石砂紙打磨后試樣的光學照片如圖1所示，表面形貌參數見表1。從圖1可以看出，100#砂紙打磨后的不銹鋼表面最粗糙，溝壑深度、寬度均較大，表面粗糙度Ra=0.41μm，單峰平均間距為20.91μm(表1);1000#砂紙打磨的表面最光滑，表面粗糙度Ra、Rz和單峰平均間距S比100#分別降低了75%、75.7%、25.6%。因此，經不同粒度砂紙打磨后的304不銹鋼表面的粗糙度不同，表面形貌特征相差很大。

2.2 腐蝕后試樣表面的形貌特征分析

各試樣經化學浸泡24h、去除腐蝕產物后的不銹鋼表面激光共聚焦形貌如圖2所示。100#、260#和600#砂紙打磨試樣的表面產生了一些明顯的宏觀腐蝕孔洞(呈不規則橢圓形)，蝕孔面積在0.18～0.30mm2之間，但600#砂紙打磨試樣表面的宏觀蝕孔明顯較前兩者要少。經1000#砂紙打磨后的試樣沒有發現宏觀腐蝕孔洞。同時，所有試樣表面都出現了少量的較小尺寸微觀點蝕孔，蝕孔面積在0.012～0.031mm2之間，分布較為分散，但1000#砂紙打磨后的試樣4表面上的宏觀點蝕孔較少，且其蝕孔面積、深度都相對較小。由此可見，表面粗糙度越小，蝕孔數量和面積都越小，說明在氯離子環境中的抗點蝕能力越強。

為了深入分析表面粗糙度與不銹鋼耐腐蝕性能之間的關系，根據國家標準《金屬和合金的腐蝕－點蝕評定方法》［9］測量了腐蝕后試樣表面蝕孔的最大深度D、平均最大蝕孔面積和平均最大蝕孔深度 。用激光共聚焦顯微鏡，在試樣面積范圍內采用XYZ輪廓步進掃描方式，從每個試樣表面隨機測定20個蝕孔的深度和腐蝕面積，將深度的最大值作為最大蝕孔深度，將其中10個較大蝕孔的深度和腐蝕面積的平均值作為平均最大蝕孔深度與平均最大蝕孔面積。通過統計計算得到各不同粗糙度樣本的最大蝕孔深度、平均最大蝕孔深度與平均最大蝕孔面積并繪制成曲線，如圖3所示。由圖3可見，表面粗糙度越大的試樣，最大蝕孔深度、平均最大蝕孔深度與平均最大蝕孔面積都越大，即局部腐蝕程度越嚴重。表面粗糙度差異越大，平均最大蝕孔深度和平均最大蝕孔面積相差越明顯，即腐蝕程度差異越顯著。1000#砂紙打磨的試樣4與600#砂紙打磨的試樣3的蝕孔深度和蝕孔面積比260#砂紙打磨的試樣2與100#砂紙打磨的試樣1顯著減小。試樣4的表面粗糙度值是試樣1的1/4，但試樣4的平均最大蝕孔深度和平均最大蝕孔面積約是試樣1的1/10。結果表明，不銹鋼的耐蝕能力與其表面粗糙度大小相關，減小表面粗糙度是提高其耐蝕性的有效手段，表面粗糙度Ra在0.1μm附近時，有較好的耐腐蝕性能。

圖2 不同表面粗糙度試樣腐蝕24h后的表面激光共聚焦形貌圖

圖3 試樣表面蝕孔深度、大小與表面粗糙度關系曲線圖

為了更好地分析試樣表面粗糙度對耐腐蝕性能的影響，利用不銹鋼表面砂紙打磨的微溝槽的深度d和寬度w定義了不銹鋼拋光表面開放度參數δ=w/d。將表面粗糙度測量中的微觀不平度10點平均高度Rz和單峰平均間距S分別代表溝槽的平均深度d和寬度w來計算不銹鋼拋光表面開放度參數。顯然，不銹鋼拋光表面開放度參數δ越大，表面微溝槽深度越小而寬度越大，微溝槽的張開角度越大，說明表面越平坦和光滑，不銹鋼拋光表面開放度參數δ越小則表明微溝槽窄而深。根據表1中試樣表面的測量數據，可以計算出試樣1～4的不銹鋼拋光表面開放度參數δ，依次為5.87、8.21、16.29、17.95，表面粗糙度越小，不銹鋼拋光表面開放度參數δ越大，表面越趨于平坦。

圖4 試樣表面蝕孔深度、大小與不銹鋼拋光表面開放度參數δ的關系曲線圖

圖4所示為蝕孔深度和面積與不銹鋼拋光開放度參數δ的關系曲線。從圖4可以發現，蝕孔的最大深度、平均最大深度和平均最大面積均與不銹鋼拋光表面開放度參數δ近似成負線性關系，且蝕孔深度和大小都隨不銹鋼拋光表面開放度參數δ的增大而減小，不銹鋼拋光表面開放度參數δ相差越大，蝕孔深度和大小也相差越大。通過對比對應試樣的表面粗糙度差值和不銹鋼拋光表面開放度參數值差值發現，表面粗糙度之間的差值較小，但不銹鋼拋光表面開放度參數相差較大，如試樣3和試樣4表面粗糙度Ra的差值只有0.0208μm，但它們的不銹鋼拋光表面開放度δ的差值為1.66，也就是說，不銹鋼拋光表面開放度參數從數值上也放大了不同樣本表面微觀不平度的差異。這說明，不銹鋼拋光表面開放度參數δ比表面粗糙度更能直觀、簡單地反映不銹鋼表面微觀形貌與耐蝕性能的關系。陳捷等［10］研究發現，金屬腐蝕首先產生于表面微小輪廓谷處和裂紋處，繼而逐漸向金屬內部侵蝕，輪廓谷、峰越深與越陡峭的金屬表面腐蝕越快，輪廓峰、谷形狀比較圓滑的表面則不易腐蝕。

2.3 極化曲線測定

不同表面粗糙度試樣在質量分數為3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線如圖5所示。從圖5可以看出:與100#砂紙打磨的試樣1和260#砂紙打磨的試樣2相比，600#砂紙打磨的試樣3和1000#砂紙打磨的試樣4的擊穿電位Eb相對較高，而電流密度Jpass卻相對較小，表明不銹鋼表面粗糙度越小，其鈍化膜的穩定性能越好，耐腐蝕性能越好。已有研究表明，當合金進入亞穩孔蝕和穩定孔蝕階段，隨表面粗糙度增大，亞穩態孔蝕電位和穩定孔蝕電位都近似以線性方式負移，鈍化膜穩定性變差［11］。結合吸附理論與不銹鋼拋光表面開放度參數δ可以對這種結果進行分析:Cl－1破壞鈍化膜的根本原因是因為它具有很強的可被金屬吸附的能力。過渡金屬Fe、Ni、Cr等表面吸附 Cl－1比吸附 O2－更容易，因而 Cl－1被優先吸附，并從金屬表面把氧原子排擠掉，而Cl－1和CrO2－4競爭吸附作用的結果導致金屬鈍態遭到局部破壞。不銹鋼拋光表面開放度δ較小時，一方面，在尖峰和谷底處形成的鈍化膜比平緩處鈍化膜的厚度要小;另一方面，窄而深處的表面活性點較多，閉塞程度較大，溶液處于滯留狀態，腐蝕過程中更容易降低局部溶液的pH值并使活性陰離子富集，從而導致鈍化膜的穩定性變差，降低鈍化膜的自我修復能力，這樣就使得擊穿電位負移，維持鈍化狀態所需的陽極電流密度加大。這也進一步說明表面粗糙度對不銹鋼制品最終耐蝕性能具有決定性影響。

圖5 不同表面粗糙度試樣在3.5%Nacl溶液中的動電位極化曲線

3 結論

(1)隨著表面粗糙度的增大，腐蝕環境中不銹鋼表面平均最大蝕孔深度、平均最大蝕孔面積急劇增大;表面粗糙度差異越大，蝕孔深度和蝕孔面積差異越大。表面粗糙度Ra在0.2～0.4μm內變化時，表面粗糙度值增大1倍能導致平均最大蝕孔深度與平均最大蝕孔面積增大十倍乃至數十倍。表面粗糙度Ra約為0.1μm時，具有較為穩定的耐蝕性能。

(2)不銹鋼拋光表面開放度參數與試件表面蝕孔深度和面積成近似負線性關系，采用不銹鋼拋光表面開放度參數δ可以更直觀、簡單地描述不銹鋼表面的耐腐蝕性能。δ越大，表面粗糙度越小，平均蝕孔深度和面積也越小，耐蝕性能越好。

(3)不同表面粗糙度試樣在質量分數為3.5%Nacl溶液中的動電位極化曲線表明，表面粗糙度越小，不銹鋼拋光表面開放度越大，擊穿電位Eb相對越高，電流密度相對越小，鈍化膜的穩定性越好，耐腐蝕性能越好。

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［9］國家冶金工業局.GB/T 18590－2001金屬和合金的腐蝕點蝕評定方法［S］.北京:中國標準出版社，2004.

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