Вы обеспечили обработку деталей в соответствии со спецификациями. Теперь убедитесь, что вы приняли меры для защиты этих деталей в условиях, которых ожидают ваши клиенты.#basic
Пассивация остается важнейшим шагом в повышении базовой коррозионной стойкости деталей и узлов из нержавеющей стали. Она может стать решающим фактором между удовлетворительной производительностью и преждевременным отказом. Неправильно выполненная пассивация может фактически вызвать коррозию.
Пассивация — это метод, применяемый после изготовления, который максимально увеличивает внутреннюю коррозионную стойкость сплавов нержавеющей стали, из которых изготовлена ​​заготовка. Это не обработка для удаления окалины и не нанесение лакокрасочного покрытия.
Общего мнения о точном механизме работы пассивации не существует. Но несомненно, что на поверхности пассивированной нержавеющей стали имеется защитная оксидная пленка. Считается, что эта невидимая пленка чрезвычайно тонкая, менее 0,0000001 дюйма толщиной, что составляет около 1/100 000 толщины человеческого волоса!
Чистая, недавно обработанная, отполированная или протравленная деталь из нержавеющей стали автоматически приобретает эту оксидную пленку из-за воздействия атмосферного кислорода. В идеальных условиях этот защитный оксидный слой полностью покрывает все поверхности детали.
Однако на практике такие загрязняющие вещества, как производственная грязь или частицы железа от режущих инструментов, могут переноситься на поверхность деталей из нержавеющей стали во время обработки. Если их не удалить, эти инородные тела могут снизить эффективность исходной защитной пленки.
Во время обработки следы свободного железа могут истирать инструмент и переноситься на поверхность заготовки из нержавеющей стали. В некоторых случаях на детали может появиться тонкий слой ржавчины. На самом деле это коррозия стали инструментом, а не основного металла. Иногда щели от внедренных стальных частиц от режущих инструментов или продуктов их коррозии могут вызывать эрозию самой детали.
Аналогичным образом, мелкие частицы железной грязи из цеха могут прилипнуть к поверхности детали. Хотя металл может выглядеть блестящим в обработанном состоянии, после контакта с воздухом невидимые частицы свободного железа могут вызвать ржавление поверхности.
Проблему могут представлять и открытые сульфиды. Они образуются при добавлении серы в нержавеющую сталь для улучшения обрабатываемости. Сульфиды повышают способность сплава образовывать стружку во время обработки, которая может полностью отслаиваться от режущего инструмента. Если детали не пассивированы должным образом, сульфиды могут стать отправной точкой для поверхностной коррозии на изготовленных изделиях.
В обоих случаях пассивация необходима для максимального повышения естественной коррозионной стойкости нержавеющей стали. Она удаляет поверхностные загрязнения, такие как частицы железной грязи в цехе и частицы железа в режущих инструментах, которые могут образовывать ржавчину или стать отправной точкой для коррозии. Пассивация также удаляет сульфиды, находящиеся на поверхности легкообрабатываемых сплавов нержавеющей стали.
Двухэтапная процедура обеспечивает наилучшую коррозионную стойкость: 1. Очистка — базовая, но иногда упускаемая из виду процедура; 2. Кислотная ванна или пассивация.
Очистка всегда должна быть приоритетом. Поверхности должны быть тщательно очищены от смазки, охлаждающей жидкости или других производственных отходов для обеспечения оптимальной коррозионной стойкости. Мусор от обработки или другие производственные загрязнения можно аккуратно стереть с детали. Для удаления технологических масел или охлаждающих жидкостей можно использовать коммерческие обезжириватели или очистители. Посторонние вещества, такие как термические оксиды, могут быть удалены такими методами, как шлифование или травление.
Иногда оператор станка может пропустить базовую очистку, ошибочно думая, что очистка и пассивация произойдут одновременно, если просто окунуть покрытую смазкой деталь в кислотную ванну. Этого не произойдет. Наоборот, загрязненная смазка реагирует с кислотой, образуя пузырьки воздуха. Эти пузырьки собираются на поверхности заготовки и мешают пассивации.
Хуже того, загрязнение пассивирующих растворов, которые иногда содержат высокие концентрации хлоридов, может вызвать «вспышку». В отличие от получения желаемой оксидной пленки с глянцевой, чистой, устойчивой к коррозии поверхностью, флэш-травление может привести к сильному травлению или потемнению поверхности — ухудшению качества поверхности, которое пассивация призвана оптимизировать.
Детали, изготовленные из мартенситной нержавеющей стали [магнитной, умеренно устойчивой к коррозии, предел текучести до 280 кфунтов на кв. дюйм (1930 МПа)], закаляются при повышенных температурах, а затем подвергаются отпуску для обеспечения требуемой твердости и механических свойств. Дисперсионно-твердеющие сплавы, обладающие лучшей прочностью и коррозионной стойкостью, чем мартенситные сплавы, могут подвергаться обработке на твердый раствор, частичной механической обработке, старению при более низких температурах, а затем финишной обработке.
В этом случае деталь необходимо тщательно очистить обезжиривателем или очистителем, чтобы удалить все следы смазочно-охлаждающей жидкости перед термической обработкой. В противном случае смазочно-охлаждающая жидкость, оставшаяся на детали, может вызвать чрезмерное окисление. Это состояние может привести к образованию вмятин на деталях меньшего размера после удаления окалины кислотными или абразивными методами. Если смазочно-охлаждающая жидкость останется на блестящих закаленных деталях, например, в вакуумной печи или защитной атмосфере, может произойти науглероживание поверхности, что приведет к потере коррозионной стойкости.
После тщательной очистки детали из нержавеющей стали можно погрузить в пассивирующую кислотную ванну. Можно использовать любой из трех методов: пассивация азотной кислотой, пассивация азотной кислотой с дихроматом натрия и пассивация лимонной кислотой. Выбор метода зависит от марки нержавеющей стали и указанных критериев приемки.
Более коррозионно-стойкие сорта хромоникелевой стали можно пассивировать в ванне с 20% (об./об.) азотной кислотой (рисунок 1). Как показано в таблице, менее стойкую нержавеющую сталь можно пассивировать путем добавления дихромата натрия в ванну с азотной кислотой, что делает раствор более окислительным и способным образовывать пассивную пленку на поверхности металла. Другой вариант замены азотной кислоты хроматом натрия — это увеличение концентрации азотной кислоты до 50% по объему. Как добавление дихромата натрия, так и более высокая концентрация азотной кислоты снижают вероятность нежелательного вспыхивания.
Процедура пассивации легкообрабатываемых нержавеющих сталей (также показана на рисунке 1) несколько отличается от процедуры пассивации нелегкообрабатываемых нержавеющих сталей. Это связано с тем, что во время пассивации в типичной ванне с азотной кислотой удаляются некоторые или все серосодержащие сульфиды легкообрабатываемых сталей, что приводит к образованию микроскопических неоднородностей на поверхности обработанной детали.
Даже обычно эффективное промывание водой может оставить остаточную кислоту в этих разрывах после пассивации. Эта кислота затем будет воздействовать на поверхность детали, если ее не нейтрализовать или не удалить.
Для эффективной пассивации легкообрабатываемой нержавеющей стали компания Carpenter разработала процесс AAA (щелочь-кислота-щелочь), который нейтрализует остаточную кислоту. Этот метод пассивации можно выполнить менее чем за 2 часа. Вот пошаговый процесс:
После обезжиривания замочите детали в 5% растворе гидроксида натрия при температуре от 160°F до 180°F (от 71°C до 82°C) на 30 минут. Затем тщательно промойте детали в воде. Затем погрузите деталь на 30 минут в 20% (об./об.) раствор азотной кислоты, содержащий 3 унции/галлон (22 г/л) дихромата натрия при температуре от 120°F до 140°F (от 49°C до 60°C). После извлечения детали из ванны промойте ее водой, а затем погрузите в раствор гидроксида натрия еще на 30 минут. Снова промойте деталь водой и высушите, завершив метод AAA.
Пассивация лимонной кислотой становится все более популярной среди производителей, которые хотят избежать использования минеральных кислот или растворов, содержащих дихромат натрия, а также проблем утилизации и более высоких требований безопасности, связанных с их использованием. Лимонная кислота считается экологически чистой во всех отношениях.
Хотя пассивация лимонной кислотой предлагает привлекательные экологические преимущества, предприятия, которые добились успеха с пассивацией неорганической кислотой и не имеют проблем с безопасностью, могут захотеть продолжить этот путь. Если у этих пользователей чистый цех, хорошо обслуживаемое и чистое оборудование, охлаждающая жидкость без загрязнений со стороны цеха и процесс, который дает хорошие результаты, то реальной необходимости в изменениях может и не быть.
Пассивация в ванне с лимонной кислотой оказалась полезной для широкого спектра нержавеющих сталей, включая несколько отдельных марок нержавеющей стали, как показано на рисунке 2. Для удобства включен традиционный метод пассивации азотной кислотой, показанный на рисунке 1. Обратите внимание, что старые составы азотной кислоты выражены в объемных процентах, тогда как новые концентрации лимонной кислоты выражены в весовых процентах. Важно отметить, что при реализации этих процедур тщательное соблюдение баланса времени выдержки, температуры ванны и концентрации имеет решающее значение, чтобы избежать «вспышки», описанной ранее.
Пассивационная обработка различается в зависимости от содержания хрома и характеристик обработки каждой марки. Обратите внимание на столбцы, относящиеся либо к процессу 1, либо к процессу 2. Как показано на рисунке 3, процесс 1 включает меньше этапов, чем процесс 2.
Лабораторные испытания показали, что процесс пассивации лимонной кислотой более подвержен «вспышке», чем процесс азотной кислоты. Факторы, способствующие этому воздействию, включают слишком высокую температуру ванны, слишком длительное время выдержки и загрязнение ванны. Продукты на основе лимонной кислоты, содержащие ингибиторы коррозии и другие добавки, такие как смачивающие агенты, имеются в продаже и, как сообщается, снижают восприимчивость к «вспышке коррозии».
Окончательный выбор метода пассивации будет зависеть от критериев приемки, установленных заказчиком. Подробную информацию см. в стандарте ASTM A967. Доступ к нему можно получить на сайте www.astm.org.
Часто проводятся испытания для оценки поверхности пассивированных деталей. Вопрос, на который нужно ответить, звучит так: «Удаляет ли пассивация свободное железо и оптимизирует ли она коррозионную стойкость легкообрабатываемых сталей?»
Важно, чтобы метод испытаний соответствовал оцениваемому классу. Слишком строгие испытания не пройдут испытания для совершенно хороших материалов, в то время как слишком свободные испытания не пройдут испытания для неудовлетворительных деталей.
Дисперсионно-твердеющие и легкообрабатываемые нержавеющие стали серии 400 лучше всего оценивать в шкафу, способном поддерживать 100% влажность (влажные образцы) в течение 24 часов при температуре 95°F (35°C). Поперечное сечение часто является наиболее критической поверхностью, особенно для легкообрабатываемых марок. Одной из причин этого является то, что сульфид вытянут в направлении обработки, пересекая эту поверхность.
Критические поверхности следует размещать вверху, но под углом 15–20 градусов к вертикали, чтобы обеспечить потерю влаги. Правильно пассивированный материал вряд ли будет ржаветь, хотя на нем могут появиться небольшие пятна.
Аустенитные марки нержавеющей стали также можно оценить с помощью испытания на влажность. При таком испытании на поверхности образца должны присутствовать капли воды, что свидетельствует о наличии свободного железа по наличию ржавчины.
Процедуры пассивации обычно используемых легкообрабатываемых и труднообрабатываемых нержавеющих сталей в растворах лимонной или азотной кислоты требуют различных процессов. На рисунке 3 ниже приведены подробные сведения о выборе процесса.
(a) Отрегулируйте pH с помощью гидроксида натрия. (b) См. рисунок 3 (c) Na2Cr2O7 представляет собой 3 унции/галлон (22 г/л) дихромата натрия в 20% азотной кислоте. Альтернативой этой смеси является 50% азотная кислота без дихромата натрия.
Более быстрый метод — использовать раствор, описанный в ASTM A380, «Стандартная практика очистки, удаления окалины и пассивации деталей, оборудования и систем из нержавеющей стали». Тест заключается в протирании детали раствором сульфата меди/серной кислоты, выдерживании ее во влажном состоянии в течение 6 минут и наблюдении за образованием медного покрытия. В качестве альтернативы деталь можно погрузить в раствор на 6 минут. Если железо растворится, произойдет образование медного покрытия. Этот тест не следует использовать на поверхностях деталей, используемых в пищевой промышленности. Кроме того, его не следует использовать для мартенситных сталей серии 400 или ферритных сталей с низким содержанием хрома, поскольку могут возникнуть ложноположительные результаты.
Традиционно для оценки пассивированных образцов также использовался тест в 5%-ном соляном тумане при температуре 95°F (35°C). Этот тест слишком строг для некоторых марок и, как правило, не требуется для подтверждения эффективности пассивации.
Избегайте использования избыточного количества хлоридов, которые могут вызвать опасные вспышки. По возможности используйте только высококачественную воду с содержанием хлоридов менее 50 частей на миллион (ppm). Обычно достаточно водопроводной воды, которая в некоторых случаях может выдерживать до нескольких сотен ppm хлоридов.
Важно регулярно заменять ванну, чтобы избежать потери пассивирующего потенциала, что может привести к искрению и повреждению деталей. В ванне следует поддерживать надлежащую температуру, так как неконтролируемый рост температуры может привести к локальной коррозии.
Важно придерживаться строго определенного графика замены раствора во время интенсивного производства, чтобы свести к минимуму вероятность загрязнения. Для проверки эффективности ванны использовался контрольный образец. Если образец подвергся воздействию, пришло время заменить ванну.
Пожалуйста, уточните, что некоторые станки обрабатывают только нержавеющую сталь; используйте ту же предпочтительную охлаждающую жидкость для резки нержавеющей стали, исключая все другие металлы.
Детали стойки DO обрабатываются индивидуально, чтобы избежать контакта металла с металлом. Это особенно важно для нержавеющей стали, поддающейся автоматической обработке, поскольку для диффузии продуктов коррозии в сульфиды и предотвращения образования кислотных карманов требуются текучие растворы пассивации и промывки.
Не пассивируйте цементированные или азотированные детали из нержавеющей стали. Коррозионная стойкость обработанных таким образом деталей может снизиться до такой степени, что они будут подвергаться воздействию пассивирующей ванны.
Не используйте инструменты из черных металлов в не слишком чистых условиях мастерской. Избежать появления стальной стружки можно, используя твердосплавные или керамические инструменты.
Не забывайте, что в ванне пассивации может возникнуть коррозия, если деталь не была должным образом термически обработана. Высокоуглеродистые и высокохромистые мартенситные стали необходимо закаливать для обеспечения коррозионной стойкости.
Пассивация обычно проводится после последующего отпуска при температурах, обеспечивающих сохранение коррозионной стойкости.
Не игнорируйте концентрацию азотной кислоты в пассивационной ванне. Периодические проверки следует проводить с использованием простой процедуры титрования, предоставленной Carpenter. Не пассивируйте более одной нержавеющей стали за раз. Это предотвращает дорогостоящую путаницу и позволяет избежать гальванических реакций.
Об авторах: Терри А. ДеБолд — специалист по исследованиям и разработкам сплавов нержавеющей стали, а Джеймс У. Мартин — металлург пруткового проката в Carpenter Technology Corp. (Рединг, Пенсильвания).
В мире все более строгих требований к качеству поверхности простые измерения «шероховатости» по-прежнему полезны. Давайте рассмотрим, почему важны измерения поверхности и как их можно проверить в цеху с помощью сложных переносных приборов.
Вы уверены, что у вас лучшая пластина для этой токарной операции? Проверьте стружку, особенно если она осталась без присмотра. Характеристики стружки могут многое вам рассказать.