Вы убедились, что детали обработаны в соответствии со спецификацией. Теперь убедитесь, что вы приняли меры для защиты этих деталей в условиях, ожидаемых вашими клиентами. #основы
Пассивация остается важнейшим этапом для максимального повышения коррозионной стойкости обработанных деталей и узлов из нержавеющей стали. Она может стать решающим фактором между удовлетворительной работой и преждевременным выходом из строя. Неправильно выполненная пассивация может фактически вызвать коррозию.
Пассивация — это метод обработки после изготовления, который позволяет максимально повысить присущую нержавеющим стальным сплавам, из которых изготовлена ​​заготовка, коррозионную стойкость. Это не обработка для удаления окалины и не лакокрасочное покрытие.
Нет единого мнения относительно точного механизма пассивации. Но несомненно, что на поверхности пассивированной нержавеющей стали образуется защитная оксидная пленка. Считается, что эта невидимая пленка чрезвычайно тонкая, менее 0,0000001 дюйма, что составляет примерно 1/100 000 толщины человеческого волоса!
На чистой, свежеобработанной, отполированной или протравленной детали из нержавеющей стали под воздействием атмосферного кислорода автоматически образуется оксидная пленка. В идеальных условиях этот защитный оксидный слой полностью покрывает все поверхности детали.
Однако на практике загрязнения, такие как заводская грязь или частицы железа от режущих инструментов, могут переноситься на поверхность деталей из нержавеющей стали во время обработки. Если их не удалить, эти посторонние частицы могут снизить эффективность исходной защитной пленки.
В процессе механической обработки следы свободного железа могут стираться с инструмента 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 основным металлом. Иногда трещины, заполненные частицами стали от режущих инструментов или продуктами их коррозии, могут вызывать эрозию самой детали.
Аналогичным образом, мелкие частицы пыли, образующейся в цеху при обработке железа, могут прилипать к поверхности детали. Хотя металл может казаться блестящим в обработанном состоянии, после воздействия воздуха невидимые частицы свободного железа могут вызывать поверхностную коррозию.
Открытые сульфиды также могут представлять проблему. Они образуются при добавлении серы в нержавеющую сталь для улучшения обрабатываемости. Сульфиды увеличивают способность сплава к образованию стружки 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 пыли из цеха и частицы железа в режущих инструментах, которые могут вызывать образование ржавчины или стать отправной точкой для коррозии. Пассивация также удаляет сульфиды, обнажившиеся на поверхности легкорежущих сплавов нержавеющей стали.
Наилучшую коррозионную стойкость обеспечивает двухэтапная процедура: 1. Очистка — базовая, но иногда упускаемая из виду процедура; 2. Обработка кислотной ванной или пассивация.
Очистка всегда должна быть приоритетом. Для оптимальной коррозионной стойкости поверхности необходимо тщательно очистить от смазки, охлаждающей жидкости и других производственных загрязнений. С деталей можно аккуратно удалить остатки механической обработки или другую производственную грязь. Для удаления технологических масел или охлаждающих жидкостей можно использовать коммерческие обезжиривающие средства или чистящие средства. Посторонние вещества, такие как термические оксиды, могут потребовать удаления методами шлифовки или травления.
Иногда оператор станка может пренебречь базовой очисткой, ошибочно полагая, что очистка и пассивация произойдут одновременно, если просто погрузить деталь, покрытую смазкой, в кислотную ванну. Этого не произойдет. Напротив, загрязненная смазка реагирует с кислотой, образуя пузырьки воздуха. Эти пузырьки скапливаются на поверхности заготовки и мешают пассивации.
Ситуацию усугубляет загрязнение растворов для пассивации, которые иногда содержат высокие концентрации хлоридов, что может привести к «засветке». В отличие от получения желаемой оксидной пленки с глянцевой, чистой, коррозионностойкой поверхностью, засветка может привести к сильному травлению или потемнению поверхности — ухудшению состояния поверхности, которое пассивация призвана оптимизировать.
Детали, изготовленные из мартенситной нержавеющей стали [магнитной, умеренно коррозионностойкой, с пределом текучести до 280 ksi (1930 МПа)], закаливаются при повышенных температурах, а затем отпускаются для обеспечения желаемой твердости и механических свойств. Сплавы, упрочняемые осаждением, которые обладают большей прочностью и коррозионной стойкостью, чем мартенситные сплавы, могут подвергаться термической обработке, частичной механической обработке, старению при более низких температурах, а затем окончательной обработке.
В этом случае деталь необходимо тщательно очистить обезжиривающим или чистящим средством, чтобы удалить все следы смазочно-охлаждающей жидкости перед термообработкой. В противном случае остатки смазочно-охлаждающей жидкости на детали могут вызвать чрезмерное окисление. Это может привести к деформации деталей меньшего размера после удаления окалины кислотными или абразивными методами. Если смазочно-охлаждающая жидкость остается на 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 один из трех методов: пассивацию азотной кислотой, пассивацию азотной кислотой с дихроматом натрия и пассивацию лимонной кислотой. Выбор метода зависит от марки нержавеющей стали и установленных критериев приемки.
Более коррозионностойкие марки хромоникеля можно пассивировать в 20% (об/об) растворе азотной кислоты (рис. 1). Как показано в таблице, менее стойкую нержавеющую сталь можно пассивировать добавлением дихромата натрия в раствор азотной кислоты, что делает раствор более окислительным и способным образовывать пассивную пленку на поверхности металла. Другой вариант замены азотной кислоты на хромат натрия — увеличение концентрации азотной кислоты до 50% по объему. Как добавление дихромата натрия, так и более высокая концентрация азотной кислоты снижают вероятность нежелательного образования вспышек.
Процедура пассивации легкообрабатываемых нержавеющих сталей (также показана на рисунке 1) несколько отличается от процедуры пассивации нелегкообрабатываемых марок нержавеющей стали. Это связано с тем, что в процессе пассивации в типичной ванне с азотной кислотой удаляются некоторые или все содержащие серу сульфиды обрабатываемых марок, что приводит к образованию микроскопических разрывов на поверхности обрабатываемой детали.
Даже при обычно эффективном промывании водой в этих разрывах после пассивации могут остаться остатки кислоты. Эта кислота затем будет воздействовать на поверхность детали, если ее не нейтрализовать или не удалить.
Для эффективной пассивации легко обрабатываемой нержавеющей стали компания Carpenter разработала процесс AAA (щелочь-кислота-щелочь), который нейтрализует остаточную кислоту. Этот метод пассивации может быть завершен менее чем за 2 часа. Вот пошаговый процесс:
После обезжиривания замочите детали в 5% растворе гидроксида натрия при температуре от 71 до 82 °C (от 71 до 82 °C) на 30 минут. Затем тщательно промойте детали водой. Далее погрузите деталь на 30 минут в 20% (об/об) раствор азотной кислоты, содержащий 22 г/л дихромата натрия (от 49 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, желающих избежать использования минеральных кислот или растворов, содержащих дихромат натрия, а также проблем с утилизацией и повышенной безопасностью, связанных с их применением. Лимонная кислота считается экологически чистой во всех отношениях.
Хотя пассивация лимонной кислотой предлагает привлекательные экологические преимущества, предприятия, которые успешно использовали пассивацию неорганическими кислотами и не имеют проблем с безопасностью, возможно, захотят продолжить этот процесс. Если у этих пользователей чистый цех, хорошо обслуживаемое и чистое оборудование, охлаждающая жидкость без примесей железа и технологический процесс, дающий хорошие результаты, то реальной необходимости в изменениях может и не быть.
Было установлено, что пассивация в ванне с лимонной кислотой полезна для широкого спектра нержавеющих сталей, включая несколько отдельных марок, как показано на рисунке 2. Для удобства на рисунке 1 приведен традиционный метод пассивации азотной кислотой. Обратите внимание, что более старые составы азотной кислоты выражены в объемных процентах, тогда как новые концентрации лимонной кислоты выражены в весовых процентах. Важно отметить, что при применении этих процедур крайне важно тщательно сбалансировать время выдержки, температуру ванны и концентрацию, чтобы избежать описанного ранее «обледенения».
Методы пассивации различаются в зависимости от содержания хрома и характеристик обработки каждого сорта металла. Обратите внимание на столбцы, обозначающие либо Процесс 1, либо Процесс 2. Как показано на рисунке 3, Процесс 1 включает меньше этапов, чем Процесс 2.
Лабораторные исследования показали, что процесс пассивации лимонной кислотой более склонен к «вспышечной коррозии», чем процесс с использованием азотной кислоты. Факторы, способствующие этому процессу, включают слишком высокую температуру ванны, слишком длительное время выдержки и загрязнение ванны. В продаже имеются продукты на основе лимонной кислоты, содержащие ингибиторы коррозии и другие добавки, такие как смачивающие агенты, которые, как сообщается, снижают восприимчивость к «вспышечной коррозии».
Окончательный выбор метода пассивации будет зависеть от критериев приемки, установленных заказчиком. Подробности см. в стандарте ASTM A967. С ним можно ознакомиться на сайте www.astm.org.
Для оценки состояния поверхности пассивированных деталей часто проводятся испытания. Вопрос, на который необходимо ответить, звучит так: «Удаляет ли пассивация свободное железо и оптимизирует ли коррозионную стойкость легкообрабатываемых марок стали?»
Важно, чтобы метод испытания соответствовал оцениваемому классу. Слишком строгие испытания приведут к провалу вполне пригодных материалов, в то время как слишком мягкие испытания позволят пройти испытания неудовлетворительных деталей.
Нержавеющие стали серии 400, упрочняемые осаждением и легко обрабатываемые, лучше всего оценивать в камере, способной поддерживать 100% влажность (образец влажный) в течение 24 часов при температуре 95°F (35°C). Поперечное сечение часто является наиболее критической поверхностью, особенно для легко обрабатываемых марок. Одна из причин этого заключается в том, что сульфид вытягивается в направлении обработки, пересекая эту поверхность.
Критические поверхности следует располагать вверху, но под углом 15-20 градусов от вертикали, чтобы обеспечить отвод влаги. Правильно пассивированный материал практически не ржавеет, хотя на нем могут появиться небольшие пятна.
Аустенитные марки нержавеющей стали также можно оценить с помощью анализа влажности. При таком анализе на поверхности образца должны присутствовать капли воды, указывающие на наличие свободного железа по наличию ржавчины.
Для пассивации широко используемых легкорежущих и нелегкорежущих нержавеющих сталей в растворах лимонной или азотной кислоты требуются разные процессы. 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 — использование раствора, описанного в стандарте ASTM A380 «Стандартная методика очистки, удаления окалины и пассивации деталей, оборудования и систем из нержавеющей стали». Тест заключается в протирании детали раствором сульфата меди/серной кислоты, выдерживании её во влажном состоянии в течение 6 минут и наблюдении за образованием медного налёта. В качестве альтернативы деталь можно погрузить в раствор на 6 минут. Если железо растворяется, происходит образование медного налёта. Этот тест не применим к поверхностям деталей, используемых в пищевой промышленности. Также его не следует использовать для мартенситных сталей серии 400 или ферритных сталей с низким содержанием хрома, так как могут возникать ложноположительные результаты.
Исторически сложилось так, что для оценки пассивированных образцов также использовался тест с 5%-ным солевым туманом при температуре 95°F (35°C). Этот тест слишком строг для некоторых марок материалов и, как правило, не требуется для подтверждения эффективности пассивации.
Избегайте использования избытка хлоридов, так как это может вызвать опасные вспышки пламени. По возможности используйте только высококачественную воду с содержанием хлоридов менее 50 частей на миллион (ppm). Водопроводной воды обычно достаточно, а в некоторых случаях она может выдерживать до нескольких сотен ppm хлоридов.
Важно регулярно заменять ванну, чтобы не терять пассивирующий потенциал, что может привести к ударам молнии и повреждению деталей. В ванне следует поддерживать надлежащую температуру, так как неконтролируемый перегрев может вызвать локальную коррозию.
Во время интенсивного производства крайне важно соблюдать строго определенный график замены раствора, чтобы свести к минимуму вероятность загрязнения. Для проверки эффективности ванны использовался контрольный образец. Если образец подвергается воздействию, необходимо заменить ванну.
Пожалуйста, уточните, что некоторые станки обрабатывают только нержавеющую сталь; для резки нержавеющей стали используйте ту же предпочтительную охлаждающую жидкость, исключая все другие металлы.
Детали стеллажей обрабатываются отдельно, чтобы избежать контакта металла с металлом. Это особенно важно для легкообрабатываемой нержавеющей стали, поскольку для диффузии продуктов сульфидной коррозии и предотвращения образования кислотных зон необходимы текучие пассивирующие и промывочные растворы.
Не следует пассивировать детали из цементированной или азотированной нержавеющей стали. Коррозионная стойкость обработанных таким образом деталей может снизиться до такой степени, что они будут подвергнуты дальнейшему воздействию в пассивирующей ванне.
Не используйте инструменты из черных металлов в недостаточно чистых условиях мастерской. Стальной абразивной крошки можно избежать, используя твердосплавные или керамические инструменты.
Не забывайте, что коррозия может возникнуть в пассивирующей ванне, если деталь не прошла надлежащую термообработку. Высокоуглеродистые, высокохромистые мартенситные стали необходимо закаливать для повышения коррозионной стойкости.
Пассивацию обычно проводят после последующего отпуска при температурах, обеспечивающих сохранение коррозионной стойкости.
Не игнорируйте концентрацию азотной кислоты в пассивирующей ванне. Периодические проверки следует проводить с использованием простой процедуры титрования, предложенной Карпентером. Не пассивируйте более одного образца нержавеющей стали одновременно. Это предотвратит дорогостоящую путаницу и позволит избежать гальванических реакций.
Об авторах: Терри А. ДеБолд — специалист по исследованиям и разработкам в области сплавов нержавеющей стали, а Джеймс В. Мартин — металлург-станочник в компании Carpenter Technology Corp. (Рединг, Пенсильвания).
В мире, где требования к качеству обработки поверхности становятся все более строгими, простые измерения «шероховатости» по-прежнему полезны. Давайте рассмотрим, почему измерение поверхности важно и как его можно проверить в цеху с помощью сложных портативных измерительных приборов.
Вы уверены, что используете оптимальную пластину для этой операции токарной обработки? Проверьте стружку, особенно если она осталась без присмотра. Характеристики стружки могут многое рассказать.