藍莓分選機不銹鋼零件銹蝕分析及改進措施

張 鑫 涂德華

（1福建省廈門海洋職業技術學院，廈門 361012；2廈門大學嘉庚學院機電工程學院，漳州363105）

被譽為漿果之王的藍莓，是世界糧農組織重點推薦的五大健康水果之一。隨著人們生活水平的提高，富含多種營養和抗氧化生物活性物（花色苷、花青素、多酚類、類黃酮等物質）的藍莓進入了平常百姓的家庭[1-3]。人們對藍莓需求的不斷增加，藍莓的種植面積也在世界范圍逐年擴大，產量節節攀升。為了減輕工人挑選、稱重、包裝藍莓的工作強度，提高工作效率，國內外科技工作者設計了多款藍莓分選稱重包裝機械，國內廠商也已經能批量提供基于機械原理分選大小的藍莓分選稱重包裝設備。國外研究藍莓分選時間早于我國，現在歐美廠商已經商業應用近紅外、偏光、機器視覺、電子傳感器等技術分選藍莓內、外部質量[5-6]，而對于藍莓分選設備的不銹鋼材質在藍莓分選環境的耐腐蝕問題，國內外研究不多。

1 藍莓分選機不銹鋼腐蝕

2020年4-6月，由于國外藍莓分選設備制造工廠停工，國內某機械加工廠為國外一著名水果分選廠商代工生產了一批不銹鋼材質的藍莓分選稱重包裝設備。設備出口到南美秘魯后，從2020年8月開始，現場客戶陸續反饋不銹鋼表面銹蝕、焊縫銹蝕、焊接斷裂等現象。具體腐蝕現象見圖1和圖2。

圖1 表面銹蝕

圖2 焊縫腐蝕

2 藍莓分選機不銹鋼銹蝕原因分析

2.1 藍莓分選機使用環境

根據劉丙花、謝國芳等人的實驗研究結果[2，4]，藍莓果實的pH值分布范圍為2.9～4.9之間，小于酸雨的pH（5.6），即藍莓酸性比酸雨強。同一品種，不同地區和氣候會造成藍莓pH值略有差異。藍莓屬于漿果，果實皮薄，在采摘（收割）、分選、搬運過程中，時常發生部分藍莓破損，果肉水分流出現象。流出的酸性液體留存在分選設備上，與藍莓其它揮發物在空氣中形成酸性的化合物[7-8]。即藍莓分選機在酸性環境下工作，相對于機身，與藍莓接觸的部件pH值會更低一些，環境更惡劣。

2.2 不銹鋼原材料及加工工藝分析

針對這批304不銹鋼零件銹蝕，進行了中外原材料、原材料標準、焊接工藝、焊接后處理分析。

2.2.1 不銹鋼原材料及標準分析 將材料送到第三方檢測機構，根據GB/T11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發射光譜法（常規法）》，對比測試國外樣品和國內產品的化學成分(表1)，國內、外材料都滿足304（06Cr19Ni10)的要求。根據試驗數據和不銹鋼點蝕當量指數PREN（計算公式PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%)[9]，國內、外304不銹鋼材料的耐腐蝕性能理論上相差不大。

表1 304不銹鋼材料元素測試對比表

國內外不銹鋼材料交貨標準對比，歐洲標準EN 10088-2-2014《不銹鋼-第2部分：通用耐腐蝕鋼的薄鋼板/鋼板和帶鋼的技術交貨條件》明確規定奧氏體不銹鋼1.4301（304）需要通過晶間腐蝕試驗才能交貨[10]。我國標準GB/T3280-2015和GB/T24511-2017規定，只有客戶書面合同要求，不銹鋼材料出廠才做晶間腐蝕試驗[11-12]。即客戶沒有書面要求，常規不銹鋼材料不需要通過晶間腐蝕試驗，也可以在市面上流通。這個不銹鋼材料標準上的細微差異也是該設備不銹鋼焊接處斷裂和腐蝕的一個原因。

2.2.2 不銹鋼材料焊接分析 該設備不銹鋼的焊接工藝為TIG焊接（鎢極氬弧焊），材料自熔接焊接。根據眾多學者對奧氏體不銹鋼焊接接頭的研究成果[13-18]，由于焊接熱輸入和熱循環的影響，焊接接頭區域外表面鈍化膜發生破壞；并且，焊接過程的高溫改變了焊縫及其熱影響區域的奧氏體不銹鋼材料的組織和結構，形成了含鉻（Cr)量少于12%的“貧鉻區”、晶粒粗大區域、不同電極電位的電化學區域；在多重因素共同作用下，焊接接頭形成耐腐蝕性能由強到弱、階梯分布的母材區域＞熱影響區域＞焊縫區域。為了減少焊接過程碳化鉻的產生和晶間腐蝕，焊接母材可選擇C≤0.03%的超低碳不銹鋼304L（00Cr18Ni10）。為了增加焊縫的耐腐蝕性，在焊接時添加比母材含鉻量和鎳量更高的的焊絲（如ER316L），增加焊縫的鉻含量，形成耐腐蝕性能由強到弱的焊縫區域＞母材區域＞熱影響區域。為了減小焊接對熱影響區域影響程度，在焊接過程中可采用小電流、快焊快冷等方法。

2.2.3 不銹鋼焊接后處理分析 不銹鋼在焊接過程中，由于焊接高溫、裝夾等因素將不銹鋼原材料的原有鈍化層破壞，并且產生了貧鉻的氧化層。不銹鋼零件完成加工后，通常需要進行打磨、酸洗、鈍化處理[16，19]。如焊接接頭存在裂縫、氣孔等缺陷或打磨、酸洗、鈍化不徹底，甚至不進行處理，不銹鋼焊接接頭在藍莓分選環境中會很快銹蝕。在酸洗、鈍化前，對于加工過程中產生的表面缺陷，如劃傷、磕碰，需要打磨光滑。近期研究表明，不銹鋼表面的粗糙度越低，對不銹鋼的耐腐蝕性越有利。國內外資料推薦不銹鋼表面粗糙度控制在Ra=0.5 μm以下[15]。

2.2.4 改進措施及綜合試驗結果 材料改用與304價格相差不大的超低碳奧氏體不銹鋼304L（00Cr18Ni10）；材料需要通過耐晶間腐蝕要求試驗；焊絲使用ER316L；焊接工藝依然為TIG焊接（鎢極氬弧焊）；焊接完成后打磨表面光滑至粗糙度小于Ra=0.5 μm；酸洗，鈍化。

制造過程中，減少鐵污染不銹鋼，例如減少不銹鋼同碳鋼表面接觸；使用清潔的牛皮紙、吸墨紙、紙板隔離；專用不銹鋼焊接車間；專用不銹鋼材質的鋼絲刷或塑料刷；鍍鉻的固定工裝或工具或不銹鋼材質工裝；清潔、未使用、不含鐵的磨料等。

為了驗證分析結果和改進措施是否有效，重新按照改進措施制造2件藍莓分選機關鍵接觸零件——不銹鋼漏斗。根據GB/T 25150 藍點測試法和ASME A380/380E的中性鹽霧試驗要求測試不銹鋼漏斗的耐腐蝕性[20，21]。藍點法測試顯示經過酸洗、鈍化的不銹鋼表面耐腐蝕性比未鈍化的表面好，藍點出現的時間比未鈍化表面慢幾十倍。中性鹽霧試驗120 h后，其中一個不銹鋼漏斗焊接外表面出現黃銹，其余部分未出現銹蝕現象。中性鹽霧試驗120 h后，產品外觀見圖3。將生銹零件取出，使用酸洗鈍化膏除銹后，在40×體視顯微鏡下觀察生銹部位，發現長度4～5 mm焊接裂紋，具體見圖4。

圖3 中性鹽霧試驗120 h表面銹蝕現象

圖4 焊縫裂紋

由試驗結果可知，通過改進措施，試樣具有更好的耐腐蝕性能。但如零件焊縫有缺陷、打磨后粗糙度過高、零件表面有磕碰傷、制造過程中游離鐵壓入不銹鋼，這些缺陷表面將先于其他表面產生腐蝕。

3 結論

由于藍莓自身特性，藍莓分選機的使用環境為酸性腐蝕環境，藍莓分選機材質耐腐蝕性能要求高。為了提升藍莓分選機材質的耐腐蝕性和經濟性，藍莓分選機可選用通過耐晶間腐蝕試驗的304L（00Cr18Ni10）不銹鋼制造；如需要焊接，焊絲選用含鉻量比母材更高的不銹鋼材質，提升焊縫的耐腐蝕性能，焊接過程中避免任何焊接缺陷。為了減少腐蝕發生率和延緩腐蝕發生時間，藍莓分選機不銹鋼零件在制造、裝配、搬運過程中，需要盡量減少鐵（包括碳鋼）對不銹鋼材質的污染，并保證不銹鋼零件表面的粗糙度在Ra=0.5μm以下。