超聲波輔助淬火對舵桿海洋用鋼腐蝕性能的影響

江 心 蔣黃子 郭月超 薛曉寧

（中國船舶及海洋工程設計研究院 上海 200011）

引 言

由于海水的高鹽度對金屬材料具有較強的腐蝕性，材料較一般環境下更易腐蝕。據統計，我國每年因海洋腐蝕造成的損失超過總損失量的50%以上，嚴重阻礙了海洋產業的發展進程。作為機械工業中應用最廣泛的材料之一，鋼鐵的顯微組織較為復雜，并且可以通過熱處理手段對其進行控制和調整，而材料的微觀組織又影響著工件的使用性能。

目前隨著科技的發展，已經有不少學者研究將超聲波振動引入到材料的熱處理過程中。管鄂和林益平通過超聲波水淬低碳鋼和超聲波-紊流復合場效應油淬合金鋼的試驗，證明了超聲波在淬火介質中的場效應可以增大淬火介質的冷卻烈度；陳靜在淬火油中加入超聲波后，可以使材料表面的軟點數量明顯減少，而且可以提高試樣的平均硬度且使硬度分布趨向均勻，使材料的淬透性明顯增強。V. E. Eremin通過用熱電偶測量介質水和油的冷卻速率曲線，發現在超聲波振動的空化效應下，介質的冷卻速度顯著提高。Honda發現超聲振動在熱傳遞過程中可以通過超聲波的空化效應破壞淬火介質的熱邊界層和速度邊界層，降低了淬火介質的熱阻；同時通過超聲波的聲流效應導致試樣周圍的液體產生紊流層，從而改善淬火介質與試樣之間的換熱效率。但對于超聲波輔助淬火對材料腐蝕性能的研究還比較少，因此，本文主要通過在模擬海水環境中的電化學腐蝕試驗來研究超聲波輔助淬火對舵桿用35CrMo鋼腐蝕性能的影響，為以后的舵桿用鋼熱處理工藝提供參考。

1 試樣制備與試驗方法

1.1 試樣制備

試驗所用材料35CrMo鋼屬于CrMo鋼系，韌性大、強度高，且價格相對于很多具有同等力學性能的其他合金鋼低廉很多，因此是船舶行業中較為常用的鋼種，主要化學成分見表1。

表1 35CrMo的主要化學成分 （wt.%）

1.2 試驗方法

用電火花切割機從35CrMo成品圓鋼上切2個尺寸30 mm×60 mm的棒狀試樣，用高溫智能箱式爐將試樣以相同的升溫速度加熱到850℃，保溫36 min后，在潔盟JP-100ST型大功率超聲波工業清洗機中進行常規淬火和超聲波輔助淬火，超聲波功率為600 W，淬火熱處理工藝流程如圖1所示。淬火結束后，通過Olympus DSX500 型光學顯微鏡（見圖2），觀察試樣邊部與心部的顯微組織與晶粒尺寸，分析超聲波輔助淬火對材料組織與淬透性的影響，試樣制備過程示意圖見下頁圖3。隨后，從組織觀察的試樣中切下尺寸為10 mm×10 mm×15 mm的立方體，配置質量分數為3.5%的NaCl溶液模擬海水環境，通過CHI660E三電極電化學工作站對試樣進行電化學腐蝕試驗（見圖4）。

圖1 淬火試樣工藝曲線

圖2 Olympus光學顯微鏡

圖3 試樣制備過程示意圖

圖4 電化學工作站

2 試驗結果及分析

2.1 顯微組織分析

由圖5清晰可見：在常規淬火時，試樣的微觀組織中有不少塊狀的殘余奧氏體存在，馬氏體組織粗大不均勻，且在試樣內部的微觀組織中，塊狀殘余奧氏體增多，并產生了珠光體。而在超聲波輔助淬火試樣的微觀組織中，殘余奧氏體基本消失，組織轉變為板條狀的馬氏體。這是因為在常規水淬冷卻時，熾熱的工件在放入淬火介質的瞬間，會造成淬火介質的氣化，在試樣的周圍形成一層高溫蒸氣薄膜，阻礙工件與淬火介質之間的熱量交換，降低試樣的冷卻速度，使試樣淬冷至室溫時還有部分過冷奧氏體沒有轉變為馬氏體，變成殘余奧氏體存在于試樣的常溫組織中，并在冷卻過程中發生高溫轉變，形成珠光體組織。

圖5 不同超聲波功率淬火試樣的邊部與心部的金相組織

而在淬火介質中引入超聲波能場后，由于超聲波的聲流和空化效應，破壞了工件表面的蒸氣薄膜，使冷卻速度較快的沸騰冷卻階段提前到來，從而提高了試樣的冷卻速度；同時超聲波的聲流效應促進了液體的流動，增強了試樣與淬火介質間的換熱效率，改善了淬火介質的冷卻速率，使馬氏體的Ms溫度點提高，從而降低馬氏體轉變所需的相變驅動力，使超聲波輔助淬火試樣的顯微組織能基本全部轉變為淬火馬氏體。

2.2 晶粒度分析

從圖6可以看出，常規淬火試樣的晶粒大小極不均勻，并且晶界周圍有較多的碳化物析出，且試樣心部位置的大尺寸晶粒數量明顯比邊部增加許多。而進行超聲波輔助淬火后，試樣的晶粒尺寸明顯變小且更加均勻，極大尺寸的晶粒基本消失，且沒有黑色的碳化物析出。

圖6 不同超聲波功率淬火試樣的邊部與心部的微觀晶粒

利用Image-J軟件統計分析常規淬火試樣和超聲波功淬火試樣的晶粒尺寸，參見圖7。可以看出：相比超聲波輔助淬火試樣，常規淬火試樣的晶粒尺寸的大小不均勻，分布更為分散。通過測量可知，常規淬火試樣的晶粒尺寸最大為72.702 μm，最小為2.083 μm，平均晶粒尺寸為19.967 μm，方差為251.962，尺寸在10~40 μm范圍的只有51.74%；加入超聲波后，試樣的晶粒最大減小到61.006 μm，最小晶粒增大到4.392 μm，平均晶粒為18.802 μm，方差為120.181，尺寸在10~40 μm范圍的增大到71.13%。因此可得出：在淬火介質中引入超聲波能場，可以使試樣晶粒大小均勻化，增強試樣的淬透性。

圖7 試樣晶粒尺寸分布

2.3 腐蝕性能分析

2.3.1 動電位極化曲線（Tafel）

下頁圖8為試樣的Tafel曲線，以腐蝕電流的對數［log（

I

）］為橫坐標，腐蝕電位（

E

）為縱坐標，顯示了電極在外加電勢作用下的陽極和陰極極化行為。由圖8可知，相比超聲波輔助淬火試樣，常規淬火試樣的腐蝕電位更低且腐蝕電流密度較大，表明超聲波輔助淬火試樣的耐腐蝕性能更好。這是因為常規淬火試樣的微觀組織中存在著電極電位不同的相組織，在海水環境中形成腐蝕微電池，因而更容易發生腐蝕反應。

圖8 超聲波輔助淬火和常規淬火試樣的極化曲線圖

2.3.2 電化學阻抗譜（EIS）

圖9是試樣在模擬海水環境中的電化學阻抗譜（EIS）測試結果，圖9（a）為常規淬火和超聲波輔助淬火試樣的Nyquist曲線。根據電化學原理可知，Nyquist 圖中的曲線直徑與試樣的阻抗呈正相關，圖中超聲波輔助淬火試樣的圓弧半徑明顯大于常規淬火試樣的圓弧半徑，即超聲波輔助淬火試樣的腐蝕性能有顯著提高。圖9（b）和圖9（c）是試樣的Bode圖。由圖9（b）可知，超聲波輔助淬火試樣腐蝕產物膜的阻抗約為3.0 Ω，大于常規淬火試樣的2.6 Ω，故超聲波輔助淬火試樣的耐腐蝕性能要優于常規淬火試樣。圖9（c）中的曲線的峰值是由于保護膜的形成而產生的，而常規淬火試樣和超聲波輔助淬火試樣的最大峰值分別是61和69，超聲波輔助淬火試樣的最大相位角略大，這也表明超聲波輔助淬火試樣的腐蝕速率低于常規試樣的腐蝕速率。

圖9 淬火試樣的阻抗譜

2.3.3 表面腐蝕形貌

如圖10所示是試樣電化學腐蝕試驗后的腐蝕表面宏觀形貌圖。可以看出，常規淬火試樣的腐蝕情況較為嚴重，試樣的腐蝕表面已經基本全部被黃褐色的腐蝕產物所覆蓋，腐蝕顆粒粗大，局部出現有顏色較深的黑色腐蝕斑。而超聲波輔助淬火試樣的腐蝕情況明顯減輕許多，試樣的腐蝕表面大部分還都具有金屬光澤，少量細密的腐蝕產物零星分布在試樣表面，腐蝕產物層較薄，耐腐蝕性能明顯優于常規淬火試樣。因為材料相成分和顯微結構的差異，會造成金屬中存在一條易于腐蝕的連續通道。在這條通道上的金屬會優先發生陽極的溶解，與周圍的主體金屬形成腐蝕電池反應，從而促進電化學腐蝕的產生。

圖10 試樣腐蝕表面宏觀圖

同時，由圖6可知，常規淬火試樣的部分晶粒尺寸過大，而過大尺寸的晶粒在成長過程中產生較多缺陷，這些缺陷在極化過程中會產生空間電荷，促進腐蝕反應的發生與發展進程；而且，晶粒尺寸過大時，在晶界融合和大晶粒吞并小晶粒的過程中，也會產生較大的應力，降低試樣的耐腐蝕性。由圖6還可以看到，常規淬火試樣的晶界間有較多的滲碳體析出，使晶界間具有較高的化學能，降低試樣的耐腐蝕性能。

如圖11所示為試樣電化學腐蝕試驗后的表面腐蝕形貌的SEM圖像。可以看到，常規淬火試樣的腐蝕表面覆蓋著一層龜裂的腐蝕產物層，腐蝕表面表現出明顯的點蝕現象，同時還可以看到有較多的塊狀腐蝕產物布滿試樣的腐蝕表面，且有部分腐蝕產物已經開始剝落，腐蝕情況較為嚴重。而超聲波輔助淬火試樣腐蝕的最外層表面還沒有開始脫落，只有少量點腐蝕裂紋，局部區域有腐蝕產物凸起于表面之上，出現“開花”現象，塊狀腐蝕產物較小、較少，腐蝕產物層較薄。同時從圖11（c）和圖11（f）中可以看出，進行超聲波輔助淬火熱處理后，試樣的腐蝕裂紋顯著變淺變窄。這表明，在海水環境中，超聲波輔助淬火處理后試樣的耐蝕性比常規淬火試樣強，與上述電化學測試分析得出的結論相同。

圖11 試樣表面腐蝕形貌SEM圖

3 結 論

本文以35CrMo鋼為例，通過金相顯微鏡、電子掃描顯微鏡和電化學腐蝕試驗等手段研究了超聲波輔助淬火熱處理工藝對試樣顯微組織和耐腐蝕性能的影響，主要結論如下：

（1）通過比較兩個試樣的金相組織可以得出：由于超聲波的聲流效應和空化效應可以使試樣的冷卻速度超過試樣的臨界冷卻速度

V

，抑制試樣發生高溫轉變和殘余奧氏體的產生，使試樣的微觀組織全部轉變為淬火馬氏體。

（2）通過統計兩個試樣的晶粒尺寸可以看出：在淬火介質中引入超聲波能場，可以使試樣晶粒大小均勻化，增強試樣的淬透性。

（3）超聲波輔助淬火通過均勻化試樣的相組織成分并使試樣的晶粒組織得到細化，使試樣在海水中的耐腐蝕性能獲得顯著改善。