Remove the high temperature oxidation skin of stainless steel techniques

侯广库   王辉

Houguangku

（中航工业黎明热表处理厂 辽宁省沈阳市 110043） 

摘要：在高温热处理中,不锈钢表面容易形成氧化皮,影响了零件的应用。利用超声电化学方法去除不锈钢表面的高温热处理氧化皮,即在超声波的辅助作用下,电解合金表面氧化皮,试验结果表明：辅以超声波作用的电化学技术可以在较低温度下快速去除不锈钢表面的高温热处理致密氧化皮,恢复了金属色泽表面。

关键词：不锈钢；超声波；氧化皮膜去除；

Abstract: In high-temperature heat treatment of stainless steel,the surface is easy to form the oxide skin which could affect the application of the parts.This article is trying to use ultrasonic electrochemical to remove the oxidation skin of stainless steel,which is caused by high temperature heat treatment.The oxidation skin of stainless steel could be electrolyzed by the effect of ultrasonic.The results of experiments show that the compact oxide skin of stainless steel can be rapidly removed by ultrasonic irradiation of electrochemical techniques under low temperature.And this method can also restore the surface color of the metal.

Keyword：Oxidation-resisting Steel;Ultrasonic; Removement of oxidation skin;

0 引言

不锈钢具有高强度、可焊接性、抗腐蚀性、易加工性和表面光泽等许多优异的特性，在宇航、化工、汽车、仪器仪表、能源及建筑装饰等方面得到广泛而重要的应用。随着航天和航空业的迅速发展，不锈钢材料也向功能性和特殊性方向发展，出现了超级不锈钢和满足各种特殊性能要求的功能性不锈钢。高温固溶处理可以提高不锈钢的抗高温氧化、高温拉伸强度等性能，目前航空发动机中所用的不锈钢材料均是经过1000℃以上的固溶处理，致使材料表面形成较厚的含有大量NiO、CrO、Cr20，以及十分难溶的FeO·Cr20，的氧化皮。及时去除不锈钢工件的氧化皮，对顺利进行下道工序加工以及防止工件表面的腐蚀，延长零件使用寿命有重要意义。不锈钢氧化皮中的氧化物结构多样、性能各异，且组织致密而坚韧，与基体结合得非常牢固，使得这些氧化皮难以清除干净。

通常超声波技术是利用超声波在液体介质中传播时产生的空化效应，空化气泡在闭合过程中破裂时，形成的冲击波会在周围产生上千大气压的冲击压力，作用在工件表面上，破坏表面的氧化皮等污物，并使其分散在溶液中。

基于上述对超声波作用机理的了解，本课题希望利用超声波在液体介质中形成的冲击和空化效应，同时结合溶液的化学反应作用，去除不锈钢等材料表面的氧化皮，实现低温、快速、高效去除致密氧化皮的目的。

1 试验

1.1试验材料

试验选用1Cr18Ni9Ti材料经过热处理带有氧化皮的试样, 试样尺寸：33mm × 25mm或25mm×25mm。

1.2 试验用设备

1.2.1 SANS微机控制电子万能试验机

型号为CMT5105，精度等级为0.5级，最大负荷为100 kN，拉伸载荷为100 kN，拉伸标距为25mm，拉伸速度为2mm/min，变形值为4mm。

1.2.2 JSM5800型扫描电子显微镜

1.2.3 超声设备

综合考虑声强、温度对空化效应的影响，设计了超声功率在100W-1000W可调、温度在0-100℃可调且恒温的超声波清洗设备，如图1所示。

图1 CGT超声波清洗仪器

2.1 

2.2 

1.3试验装置示意图

试验装置如图2所示，超声碱崩处理的时候，溶液为碱崩溶液，试样如图悬挂起来，实现了碱煮与超声同时进行，并且可以改变超声介质的温度进行碱液煮沸。

超声电解处理时，烧杯中的溶液为电解溶液，试样与电源的正极相连，阴极为不锈钢，其放置如图2所示，实现超声与电解同时进行，大大简化了试验操作。

图2  试验装置示意图

2 结果讨论与分析

通过超声碱煮工艺的探索试验，确定了碱崩溶液的组成（见表1）及处理时间，确定了工艺的处理流程。

1）碱崩溶液

表1  碱崩溶液的组成

2）工艺流程

3）试样表面形貌及表面成分的变化

由图3的微观形貌照片可以看出，试样表面微观形貌发生明显变化，原始试样表面有一层氧化物颗粒形成的疏松多孔膜层；超声电解法去除氧化皮后，试样表面光洁平整，没有附着物，微观上具有很好的表面质量。

原始试样（200×）             电解超声同时处理后（200×）

图3  试样表面微观形貌的变化

表2中1Cr18Ni9Ti试样表面成分的变化表明，原始试样表面氧化皮主要由Fe、Cr、Ni的氧化物及其复合氧化物的组成，超声电解去除氧化皮后，Fe元素增加成为主体，Cr、O元素的含量明显降低，而Ni元素有所增加，这说明Fe、Cr、Ni三种元素在氧化皮中存在浓度梯度，氧化皮可能为多层结构，随着超声电解的进行，氧化皮逐渐从试样表面剥落，直至完全去除。

表2  不锈钢试样氧化皮去除前后表面成分的变化

2.1超声电解工艺对材料性能的影响

表3中的力学数据显示，超声电解去除氧化皮对1Cr18Ni9T的最大力和抗拉强度的改变非常小，分别减少了0.11kN、0.8kN和5 MPa、15MPa，可见该工艺进行去除氧化皮处理对基体的力学性能没有影响。

表3 1Cr18Ni9Ti试样氧化皮去除前后力学性能的变化

图4 1Cr18Ni9Ti试样拉力随变形的变化

图4中1Cr18Ni9Ti的变形－拉力曲线可以看出，发生相同的变形量时，原始试样和去除氧化皮试样所需要施加的拉力非常接近，有、无氧化皮的试样均没有出现屈服，后期可能由于氧化皮与基体之间存在内应力，氧化皮自身的延展和断裂需要一定的拉伸力，导致断裂前有、无氧化皮试样的拉伸力出现较小的差值。

2.2 超声电解工艺对高温合金材料断裂特征的影响 

将原始试样和去除氧化皮试样经过常温拉伸试验断裂后的试样用JSM5800型扫描电子显微镜进行断口形貌的观察，考察原始试样和去除氧化皮试样的拉伸断裂特征，比较两者之间的异同，分析超声电解去除氧化皮工艺对高温合金材料的拉伸断裂行为是否产生影响。

原始试样（100×）                               去除氧化皮试样（100×）

原始试样（2000×）                                   去除氧化皮试样（2000×）

图5   1Cr18Ni9Ti试样常温拉伸断裂断口形貌

图5中100×的断口照片显示，原始试样和去除氧化皮试样均呈现明显的收缩特征，且两种试样的断口伸缩率非常接近，两种试样断口的纤维区、剪切唇的面积比较大，而放射区比较小，因此没有出现明显的“人”字纹花样，说明材料从宏观上表现出很大的延性，其断裂属于延性断裂；另外杯状剪切唇和锥状剪切唇同时存在于断口两侧，说明断裂过程相对于试样断面来说是不完全对称的。

由2000×的断口微观照片可以看出，不管是原始试样还是去除氧化皮试样，其断口上均有大量的微孔即韧窝，包括等轴韧窝和拉长韧窝，这种韧窝的存在说明材料在局部微小的区域内曾发生过强烈的剪切变形，且可以发现在韧窝的中心夹有第二相质点，在拉伸应力的作用下，位错环推向第二相粒子并达到粒子与基体的界面，导致粒子与材料基体交界发生分离而形成微孔（韧窝），微孔长大并分割基体为无数小单元，从而发生塑性变形而产生缩颈直至断裂，这种韧窝存在的断裂形貌是微孔聚集型剪切断裂的微观基本特征，表明两种试样在微观上均发生塑性变形，呈现出延性断裂的特征。

3 结论

通过大量的试验,完成了不锈钢表面氧化皮的去除工作，获得了较为光洁平整的表面，并且确定了相应的工艺参数，结果如下：

1） 复合超声波技术电解去除高温氧化皮工艺，可以将1Cr18Ni9Ti表面氧化皮完全去除，且试验条件简单、操作温度低、去除时间短，具有较好的可操作性，是一种较好的去除不锈钢表面氧化皮的工艺。 

2）处理前后零件表面由深黑色致密氧化皮转变为灰色光洁的金属表面，且试样表面成分分析结果显示，经过电解－超声处理后试样表面O元素的百分含量为0，说明这种工艺可以将零件表面氧化皮完全去除。

3) 超声电解工艺去除氧化皮对料的力学性能影响非常小。

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