1Cr11Ni2W2MoV 模鍛件耐蝕性改進工藝

孫小嵐，楊堃

（沈陽飛機工業(集團)有限公司，遼寧 沈陽 110850）

1Cr11Ni2W2MoV 鋼材料是12%鉻型馬氏體熱強不銹鋼，不僅室溫強度和持久強度高，而且具有良好的韌性和抗氧化性能，在淡水和濕空氣中具有中等耐蝕性[1-2]。1Cr11Ni2W2MoV 鋼最初是作為發動機結構材料而研制的，用于高承載發動機零件，包括600 °C 以下工作的壓氣機盤件、葉片等零件，現多用于制造在550 °C 以下及潮濕條件下工作的承力件[3-4]。

1Cr11Ni2W2MoV 鋼由于具有較好的耐蝕性而被廣泛應用[5-6]。但在生產過程中，具有非加工表面的零件經鈍化處理后，非加工表面經常出現銹蝕問題，嚴重制約生產，同時給飛機安全帶來了隱患[7]。

為此，本文對1Cr11Ni2W2MoV 鋼的銹蝕問題進行原因分析，找到影響耐蝕性的原因是材料表面有貧化層存在，提出通過電化學拋光來去除貧化層，以提高1Cr11Ni2W2MoV 鋼的耐蝕性。

1 原因分析

不耐蝕貧化層專指表層貧鉻層，通常存在于含碳量高于0.02%的不銹鋼中。合金中的碳與鉻能生成碳化物(CrxCy)，高溫淬火時能形成固溶態，鉻均勻分布，令合金具有良好的耐蝕性。這種過飽和固溶態在室溫下雖然能暫時保持，但不穩定。當加熱到敏化溫度范圍內時，碳化物就會沿晶界析出，鉻便從晶粒的固溶態中分離出來。由于鉻擴散緩慢，遠遠慢于碳的擴散，不能從晶粒固溶態中擴散補充到邊界，因而只能消耗晶界附近的鉻，于是形成晶粒邊界貧鉻區。該貧鉻現象只發生在材料表層一定寬度(或深度)范圍內，表層中鉻元素含量下降會引起耐蝕性減弱。貧鉻層的厚度取決于加熱條件。

通常采用噴砂、酸洗或電化學拋光的方法去除不耐蝕貧化層，以提高材料表層的耐腐蝕性能。然而噴砂和酸洗都有一定的局限性。對于形狀復雜的模鍛件來說，手工噴砂無法保證均勻、完全地去除不耐蝕貧化層，且噴砂后不耐蝕貧化層是否完全去除也無法進行檢測與控制；酸洗雖然可以按尺寸去除貧化層，但是1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼在酸洗后表面易產生嚴重的掛灰，也無法去除(見圖1)。

圖1 噴砂酸洗后的效果Figure 1 Appearance after blasting and pickling

2 改進措施

電化學拋光工藝是通過陽極溶解而整平金屬表面，提高零件表面亮度、耐蝕性，以及改善零件表面性能的加工過程。它不受材料與制造結構的限制，腐蝕均勻，方便可控。為此，擬通過電化學拋光去除1Cr11Ni2W2MoV 鋼制毛坯模鍛件表層的不耐蝕貧化層，并對拋光的試件進行耐蝕性、晶間腐蝕、氫增量等工藝性能檢測，以確定工藝的可行性。

研究方案如下：

(1) 選用典型的1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件進行電化學拋光試驗，確定表層不耐蝕貧化層厚度、拋光時間等具體參數。

(2) 按確定的工藝參數，對1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件進行加工，并對試樣進行耐蝕性、晶間腐蝕、氫增量等檢測，以確定電化學拋光工藝對零件性能的影響。

選用完成最終熱處理的1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件(如圖2 所示)作為試件，主要是對其中的非機加表面進行處理。所謂非機加表面，是指在后續工藝過程中無需進行機械加工的表面，須保持原料狀態，其表面粗糙度較高。

圖2 毛坯模鍛件Figure 2 Blank die forging

3 試驗驗證

3.1 工藝流程

改進工藝后的模鍛件加工流程為：鍛造→熱處理→噴砂→電化學拋光→除氫→機械加工→表面處理。

噴砂使用60 目SiC 砂粒，噴砂壓力控制在0.4 ～ 0.6 MPa，以清除1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件鍛造及熱處理后表層氧化皮，為電化學拋光工序提供良好的表面狀態(見圖3)。

圖3 噴砂后零件的外觀Figure 3 Appearance of part after blasting

電化學拋光的溶液組成及工藝條件為；硫酸(密度1.84 g/L)125 ～ 163 mL/L，磷酸(密度1.72 g/L)559 ～706 mL/L，鉻酸酐(CrO3)70 ～ 100 g/L，溫度60 ～ 80 °C，陽極電流密度40 ～ 80 A/dm2，陽極為Pb2 鉛板，時間視表面狀態而定。

3. 2 試驗控制要求

3. 2. 1 耐蝕性

電化學拋光后對1Cr11Ni2W2MoV 毛坯模鍛件進行硫酸銅點滴試驗，檢驗其表層不耐蝕貧化層是否被去除及其耐腐蝕性能。檢驗溶液由16 ～ 17 g/L 五水合硫酸銅和5 ～ 6 mL/L 濃硫酸組成。將該溶液滴在試件表面，5 ～ 6 min 后擦干，有金屬銅析出則表明耐蝕性不符合要求。

3. 2. 2 晶間腐蝕

按GB/T 7998-2005《鋁合金晶間腐蝕測定方法》對1Cr11Ni2W2MoV 毛坯模鍛件進行晶間腐蝕試驗，然后取樣進行金相檢查。

3. 2. 3 氫增量

用1Cr11Ni2W2MoV 毛坯模鍛件制取氫增量試樣，經電化學拋光及除氫處理后按HB/Z 318-1998《鍍覆前消除應力和鍍覆后除氫處理規范》進行除氫，然后采用測氫儀檢測氫含量，對比不同工藝處理后的氫增量指標。由于1Cr11Ni2W2MoV 材料熱處理后的最高抗拉強度為1 080 MPa，因此選定的除氫工藝為：溫度(190 ± 10) °C，時間4 h。

3. 3 電化學拋光的腐蝕速率及時間的確定

一開始按3.1 節中的參數，分別選取5 min 和7 min 進行電化學拋光試驗，但對拋光試件進行硫酸銅點滴試驗時有銅析出。經過多次工藝試驗，得出1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件經10 min 的電化學拋光處理后，可有效地去除試件表層的不耐蝕貧化層，處理后的試件在硫酸銅點滴試驗中未見銅析出。

取4 個不同直徑的1Cr11Ni2W2MoV 圓棒狀試件進行電化學拋光，從10 min 后起每隔5 min 測量一次直徑，計算每5 min 內直徑的減小量，以考察直徑方向的去除量隨拋光時間的變化，結果見表1。

表1 尺寸去除量隨拋光時間的變化Table 1 Variation of size with polishing time（單位：mm）

試驗表明，電化學拋光7 min 后仍有銅析出，直至10 min 后貧化層被才完全去除。經過反復試驗，貧化層大致在9 min 后沿直徑方向有0.06 mm 的去除量，由此得出1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件經熱處理后所形成的表層不耐蝕貧化層的大體厚度是單面0.03 ～ 0.032 5 mm。

由于1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件扳口部位具有h12 等級的精度要求，因此為了避免該部位在電化學拋光工藝過程中出現超差問題，并保證鍛件表層不耐蝕貧化層的有效去除，結合電化學拋光腐蝕速率的計算結果，最終將電化學拋光時間確定為10 ～ 15 min。拋光后試件的外觀變化如圖4a 所示。

3. 4 電化學拋光后的性能測試

3. 4. 1 耐蝕性

硫酸銅點滴試驗結果表明，對于未拋光的1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件，無論是否鈍化，耐蝕性都不符合要求，而對于電化學拋光后的試件，無論是否鈍化，耐蝕性都合格。

如圖4b 所示，電化學拋光不僅能令1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件獲得光亮的外觀，而且有效提高了它的耐腐蝕性能。

圖4 未拋光(上)與拋光后(下)的試件在鈍化前(a)、后(b)的耐蝕性對比Figure 4 Comparison of corrosion resistance of unpolished (above) and polished (below) samples before (a) and after (b) passivation

3. 4. 2 晶間腐蝕

1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件經過10 ～ 15 min 電化學拋光后進行金相晶間腐蝕檢測，未發現晶間腐蝕傾向。

3. 4. 3 氫增量

選用1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件制取氫增量試樣，按規定對試樣進行10 ～ 15 min 的電化學拋光，并選取個別試樣在電化學拋光后進行除氫，以分析化學氫增量，結果見表2。

表2 氫增量對比Table 2 Comparison of hydrogen increase

電化學拋光試件按規定要求進行除氫處理后，外觀未發現明顯的變化，而且電化學拋光不會造成1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼毛坯模鍛件的氫含量增加，電化學拋光后進行除氫處理可降低氫含量。

3. 4. 4 鹽霧加速試驗

如圖5 所示，300 h 中性鹽霧試驗后噴砂表面出現嚴重的銹蝕現象，而電化學拋光試件未出現銹蝕問題，說明電化學拋光可提高1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼的耐腐蝕性能。

圖5 噴砂后機加件(左)和電化學拋光件(右)在300 h 中性鹽霧試驗后的外觀Figure 5 Appearance of blasted (left) and electropolished (right) parts after neutral salt spray test for 300 h

4 結語

采用電化學拋光方法能夠去除1Cr11Ni2W2MoV 不銹鋼表面的貧化層，不僅令材料表面光潔度大幅提高，而且增強了材料的耐腐蝕性能。