提高材料的耐腐蝕性是預(yù)防或減緩腐蝕發(fā)生的根本措施。通過改變材料化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)組織等措施提高材料的耐腐蝕性成本是巨大的。由于材料的腐蝕是從表面開始，因此，人們從改變表面性能開始，提高材料耐腐蝕性。目前，材料表面改性的主要方法有熱處理、表面涂覆、電鍍、機(jī)械表面強(qiáng)化等。機(jī)械表面強(qiáng)化屬于物理強(qiáng)化的一種，具有成本低、綠色無污染、實(shí)用性強(qiáng)等特點(diǎn)。


1. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)


  為進(jìn)一步研究超聲滾壓對材料性能的影響，特別是耐腐蝕性能的影響，浙江至德鋼業(yè)有限公司以S30408不銹鋼為實(shí)驗(yàn)材料，以人工模擬的工業(yè)冷卻水為介質(zhì)，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。


  材料采用厚度為2mm的不銹鋼板，其化學(xué)成分見表7-1,采用超聲滾壓加工技術(shù)對材料的單面進(jìn)行表面處理，材料加工前后外觀如圖7-2所示，經(jīng)超聲表面滾壓后，用肉眼觀察，材料表面光潔度明顯增大，如同“鏡面”，但是也可以觀察到加工“刀痕”。對不同試樣，主要改變步距這個(gè)參數(shù)，工具頭的線速度和靜壓力均相等，分別是2m/min和0.1MPa,步距分別為0.05mm、0.10mm、0.15mm,0.20mm和0.25mm.隨著步距的減小，材料的光潔度增大，“刀痕”越來越不明顯。


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2. 表面粗糙度


  為了研究超聲表面滾壓對表面質(zhì)量的影響，首先采用光學(xué)顯微鏡觀察表面形貌，其次采用TR-200觸針式粗糙度檢測儀測Ra數(shù)值。放大200倍后，試樣表面形貌如圖7-3所示。其中，圖7-3(f)為原始試樣，表面條狀加工痕跡清晰可見；圖7-3(a)~(e)為不同步距下超聲滾壓后的表面形貌。從圖中可以看出，試樣表面滾壓而形成了光滑的金屬層，但是新形成的金屬表面還存在一定的缺陷，但隨著步距的減小，缺陷數(shù)量減少，尺寸減小。


  在試樣表面隨機(jī)選取3個(gè)位置進(jìn)行粗糙度測試，取平均值作為最終結(jié)果，各試樣的Ra數(shù)值如表7-2所示。




  圖7-4為不同步距下超聲滾壓試樣表面粗糙度的變化。從圖中可以看出，加工步距對表面粗糙度有重要的影響，表面粗糙度隨著加工步距的減小而減小，表面粗糙度可降低到0.037μm.未處理表面粗糙度Ra為0.283μm,與未處理表面相比較，處理表面因被碾壓而形成光滑的金屬層，從而降低了表面粗糙度。


3. 表面硬度


  鍍層的硬度采用帶有金剛石壓頭的HV-1000型顯微硬度計(jì)來測定。其方法是用金剛石壓頭在鍍層表面壓一個(gè)四角棱錐形凹痕，在顯微鏡下放大400倍觀察。實(shí)驗(yàn)時(shí)，加載載荷為0.1HV(0.9807N),持續(xù)時(shí)間10s.每個(gè)試樣測量3次，取平均值。圖7-5為硬度測量結(jié)果，未處理表面的硬度是210HV;超聲波處理后，材料的表面硬度最大可達(dá)317HV.從圖中可以看出，顯微硬度隨步距的減小而增大，但影響較小。硬度提高可歸因于晶粒細(xì)化、加工硬化及晶體組織變化的共同作用。


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4. 耐腐蝕性


 采用電化學(xué)技術(shù)分析材料處理表面的耐腐蝕性能，測量了動(dòng)電位極化曲線。實(shí)驗(yàn)采用三電極體系：待測試樣為工作電極，氧化汞電極為參比電極，箔片電極為輔助電極。工作電極是尺寸為10mmx10mm的試樣，將銅線與試樣焊接，采用混合的A、B環(huán)氧樹脂封裝試樣，只保留超聲加工面為工作面。對于未處理試樣，采用300、500、800的砂紙打磨。封裝完后，所有試樣先采用去離子水超聲清洗，再采用酒精清洗風(fēng)干，放干燥皿中備用，試樣如圖7-6所示。腐蝕介質(zhì)是CaCl+NaHCO3配制成0.4g/L的CaCO3溶液，Cl-的含量為248mg/kg,pH值7.5~8.5.電化學(xué)實(shí)驗(yàn)在室溫下進(jìn)行，掃描速度為10mV/s.試樣的動(dòng)電位極化曲線如圖7-7所示。


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  從圖7-7中可以看出，經(jīng)USRP處理的樣式，其維鈍電流密度減小，腐蝕速度降低。未處理試樣的腐蝕電位約為－179mV,加工步距為0.05mm和0.10mm的試樣腐蝕電位約為－160mV,加工步距為0.25mm的試樣腐蝕電位約為-210mV.從以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，處理試樣的腐蝕電位和維鈍電流密度的變化規(guī)律與加工步距之間不成線性關(guān)系，因此，并不是粗糙度越小，耐腐蝕性越好。但是，加工步距為0.05mm的試樣（粗糙度值最?。?，腐蝕電位最大、維鈍電流密度最小，因此，其耐點(diǎn)蝕性能最好、腐蝕速率最小，與未處理試樣比較，工步距為0.25mm的試樣，其點(diǎn)蝕電位反而降低，這可能是在超聲表面加工過程中，造成鈍化膜的不均性引起的，如圖7-3(e)所示。


a. 表面粗糙度和硬度


   經(jīng)超聲滾壓處理后，材料表面形成的新光滑的金屬層使表面粗糙度降低。表面粗糙度隨著步距的減小而減小，最小為0.037μm,與原樣比較，降低了87%.


b. 表面硬度提高


   試樣經(jīng)USRP處理后，表面硬度最大可提高51%,但加工步距對表面硬度的影響較小。


c. 耐腐蝕性


   超聲滾壓表面處理使不銹鋼在循環(huán)水中的腐蝕電流密度降低。當(dāng)加工步距為0.05mm時(shí)，S30408不銹鋼的耐腐蝕性最好，步距對耐腐蝕性能影響較小。