失效分析现场直击——304H弹簧钢丝及弹簧表面腐蚀的原因
2018-10-11 12:02:56
作者：史茜 来源：机械工程材料
背景
宁波沿海某弹簧生产厂家生产的钢丝及弹簧采用规格为？5.5mm的304H钢盘条，通过冷抽、固溶、精抽、回火等工艺加工而成，经过饱和次氯酸钠溶液浸泡，并在室内放置一段时间后，发现个别钢丝及弹簧表面局部出现锈蚀现象，且这种现象集中出现在天气炎热的夏天。为找到304H弹簧钢丝及弹簧锈蚀的原因，作者对其进行了失效分析。
理化检验及结果
1 宏观形貌
由图1可以看出，经饱和次氯酸钠溶液浸泡并放置一段时间后，钢丝及弹簧表面局部出现黑色锈迹，即出现了锈蚀现象，而未锈蚀区域表面呈正常的银白色。
图1 锈蚀钢丝与弹簧的宏观形貌
2 微观形貌
在钢丝及弹簧的锈蚀位置，沿钢丝径向、弹簧丝轴向截取试样，采用EVO18型扫描电子显微镜（SEM）观察截面形貌。由图2可以看出，钢丝及弹簧锈蚀部位的内部、内部表面和次表面均未发现夹杂物或其他异物。
图2 钢丝和弹簧锈蚀部位截面微观形貌
在钢丝的锈蚀部位截取试样，经质量分数65％的硝酸溶液电解腐蚀后，采用EVO18型扫描电子显微镜观察截面显微组织。由图3可以看出，钢丝锈蚀部位截面的晶粒度均匀，晶粒尺寸为10~20μm，为正常显微组织。
图3 钢丝锈蚀部位截面的显微组织
3 化学成分
采用EVO18型扫描电子显微镜附带的能谱仪（EDS）对钢丝表面含锈蚀区域进行元素面分析。由图4可以看出，钢丝锈蚀处存在锌元素，未锈蚀处没有锌元素。304H弹簧钢不含锌元素，这说明锌元素是由外来污染造成的。因此，304H弹簧钢钢丝锈蚀可能是由锌元素的污染导致的。
图4 钢丝锈蚀区域的SEM 形貌和面扫描结果
采用EVO18型扫描电子显微镜附带的能谱仪（EDS）对钢丝和弹簧锈蚀和未锈蚀处进行成分分析。由图5和表1可以看出：钢丝锈蚀处锌元素的质量分数达7.77％；未锈蚀处不存在锌元素，但存在的一定量的氧元素和较高含量的铬元素，这是由拉丝粉的污染造成的。由此可见，钢丝锈蚀主要是由钢丝表面锌元素的污染造成的。
图5 钢丝锈蚀处和未锈蚀处能谱分析的位置
表1 钢丝锈蚀处和未锈蚀处（如图5所示）的能谱分析结果
由图6和表2可以看出：弹簧锈蚀处铜元素的质量分数达到6.88％，而未锈蚀部位不含铜元素， 可见弹簧锈蚀是由铜元素污染造成的；弹簧表面的钙、氧、钛元素主要来源于拉丝粉。
图6 弹簧锈蚀处和未锈蚀处能谱分析的位置
表2 弹簧锈蚀处和未锈蚀处（如图6所示）的能谱分析结果
腐蚀原因分析及措施
在304H弹簧钢丝及弹簧表面沾染锌或铜元素后，在夏天天气潮湿的条件下，钢丝或弹簧表面会形成一层水膜，这层水膜将锌或铜与基体固溶体连接在一起，电子会发生移动；由于基体固溶体的电位较高，锌或铜的电位较低，电子由低电位向高电位移动而形成以基体固溶体为阴极、锌或铜为阳极的微电池。在放置过程中钢丝及弹簧表面发生析氧腐蚀，生成氧气，使金属内部电子持续发生定向移动，从而促使电位较低的金属发生腐蚀，即阳极溶解现象。
对现场可能产生锌、铜元素污染的设备及工艺进行排查。在盘条精整过程中，打包机横轴材料为铜合金，并且在现场发现打包后的盘条表面有沾染铜的情况，如图7所示。
图7 盘条打包机及被铜污染的盘条形貌
在盘条拉线过程中发现，拉丝轮表面的镀锌层有破裂点。针对上述问题，将现场打包机横轴材料更换成有机树脂，同时对拉丝轮进行定期检查，避免出现镀锌层破裂的现象，在采取这些措施后，304H 弹簧钢丝及弹簧未再出现表面因金属污染而造成的锈蚀现象。
结论
盘条在精整打包过程中被打包机横轴中的铜元素污染，或在拉丝过程中被拉丝轮表面的锌元素污染，在304H弹簧钢丝及弹簧表面存在水膜的情况下，这些元素与基体固溶体形成电位差，而发生电化学腐蚀，从而出现局部锈蚀现象。通过将现场打包机横轴材料更换成有机树脂，对拉丝轮进行定期检查，可防止因表面金属元素污染造成的锈蚀。
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