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失效分析現場直擊——304H彈簧鋼絲及彈簧表面腐蝕的原因

2018-10-11 12:02:56 作者：史茜來源：機械工程材料分享至：

背景

寧波沿海某彈簧生產廠家生產的鋼絲及彈簧采用規格為？5.5mm的304H鋼盤條，通過冷抽、固溶、精抽、回火等工藝加工而成，經過飽和次氯酸鈉溶液浸泡，并在室內放置一段時間后，發現個別鋼絲及彈簧表面局部出現銹蝕現象，且這種現象集中出現在天氣炎熱的夏天。為找到304H彈簧鋼絲及彈簧銹蝕的原因，作者對其進行了失效分析。

理化檢驗及結果

1 宏觀形貌

由圖1可以看出，經飽和次氯酸鈉溶液浸泡并放置一段時間后，鋼絲及彈簧表面局部出現黑色銹跡，即出現了銹蝕現象，而未銹蝕區域表面呈正常的銀白色。

圖1 銹蝕鋼絲與彈簧的宏觀形貌

2 微觀形貌

在鋼絲及彈簧的銹蝕位置，沿鋼絲徑向、彈簧絲軸向截取試樣，采用EVO18型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察截面形貌。由圖2可以看出，鋼絲及彈簧銹蝕部位的內部、內部表面和次表面均未發現夾雜物或其他異物。

圖2 鋼絲和彈簧銹蝕部位截面微觀形貌

在鋼絲的銹蝕部位截取試樣，經質量分數65％的硝酸溶液電解腐蝕后，采用EVO18型掃描電子顯微鏡觀察截面顯微組織。由圖3可以看出，鋼絲銹蝕部位截面的晶粒度均勻，晶粒尺寸為10~20μm，為正常顯微組織。

圖3 鋼絲銹蝕部位截面的顯微組織

3 化學成分

采用EVO18型掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀（EDS）對鋼絲表面含銹蝕區域進行元素面分析。由圖4可以看出，鋼絲銹蝕處存在鋅元素，未銹蝕處沒有鋅元素。304H彈簧鋼不含鋅元素，這說明鋅元素是由外來污染造成的。因此，304H彈簧鋼鋼絲銹蝕可能是由鋅元素的污染導致的。

圖4 鋼絲銹蝕區域的SEM 形貌和面掃描結果

采用EVO18型掃描電子顯微鏡附帶的能譜儀（EDS）對鋼絲和彈簧銹蝕和未銹蝕處進行成分分析。由圖5和表1可以看出：鋼絲銹蝕處鋅元素的質量分數達7.77％；未銹蝕處不存在鋅元素，但存在的一定量的氧元素和較高含量的鉻元素，這是由拉絲粉的污染造成的。由此可見，鋼絲銹蝕主要是由鋼絲表面鋅元素的污染造成的。

圖5 鋼絲銹蝕處和未銹蝕處能譜分析的位置

表1 鋼絲銹蝕處和未銹蝕處（如圖5所示）的能譜分析結果

由圖6和表2可以看出：彈簧銹蝕處銅元素的質量分數達到6.88％，而未銹蝕部位不含銅元素，可見彈簧銹蝕是由銅元素污染造成的；彈簧表面的鈣、氧、鈦元素主要來源于拉絲粉。

圖6 彈簧銹蝕處和未銹蝕處能譜分析的位置

表2 彈簧銹蝕處和未銹蝕處（如圖6所示）的能譜分析結果

腐蝕原因分析及措施

在304H彈簧鋼絲及彈簧表面沾染鋅或銅元素后，在夏天天氣潮濕的條件下，鋼絲或彈簧表面會形成一層水膜，這層水膜將鋅或銅與基體固溶體連接在一起，電子會發生移動；由于基體固溶體的電位較高，鋅或銅的電位較低，電子由低電位向高電位移動而形成以基體固溶體為陰極、鋅或銅為陽極的微電池。在放置過程中鋼絲及彈簧表面發生析氧腐蝕，生成氧氣，使金屬內部電子持續發生定向移動，從而促使電位較低的金屬發生腐蝕，即陽極溶解現象。

對現場可能產生鋅、銅元素污染的設備及工藝進行排查。在盤條精整過程中，打包機橫軸材料為銅合金，并且在現場發現打包后的盤條表面有沾染銅的情況，如圖7所示。

圖7 盤條打包機及被銅污染的盤條形貌

在盤條拉線過程中發現，拉絲輪表面的鍍鋅層有破裂點。針對上述問題，將現場打包機橫軸材料更換成有機樹脂，同時對拉絲輪進行定期檢查，避免出現鍍鋅層破裂的現象，在采取這些措施后，304H 彈簧鋼絲及彈簧未再出現表面因金屬污染而造成的銹蝕現象。

結論

盤條在精整打包過程中被打包機橫軸中的銅元素污染，或在拉絲過程中被拉絲輪表面的鋅元素污染，在304H彈簧鋼絲及彈簧表面存在水膜的情況下，這些元素與基體固溶體形成電位差，而發生電化學腐蝕，從而出現局部銹蝕現象。通過將現場打包機橫軸材料更換成有機樹脂，對拉絲輪進行定期檢查，可防止因表面金屬元素污染造成的銹蝕。

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責任編輯：韓鑫

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