冲压与渐进成形对SUS304不锈钢板腐蚀行为的影响

2021-03-15吴颖张智顺温彤

石河子大学学报（自然科学版） 2021年1期

吴颖，张智顺，温彤*

(1 四川文理学院智能制造学院,四川达州 635000；2 重庆大学材料科学与工程学院,重庆 400044)

以典型代表304奥氏体不锈钢为例,因其Ni和Cr含量高,表面易生成一层由Fe/Gr氧化物组成的薄而致密的钝化膜,其耐蚀性能更为突出,同时具有优异的力学性能、良好的可加工性和经济性,因此许多科研工作者热衷于研究304不锈钢的腐蚀行为。MARTI J E[3]、王竹等[4]研究了304不锈钢腐蚀行为与钝化膜损伤机理,探讨了材料宏观耐蚀性与钝化膜微观结构、典型杂质及环境诱发等之间的关系；PEGUET L等[8]研究表明冷轧和拉伸变形提高了304 L型钢的蚀坑扩展速度,并由于位错堆积而降低了其再钝化能力；RAN Q X 等[9]发现大应变冷轧制过程伴随着位错塞积、多次变形孪晶和应变诱发的马氏体转变,导致纳米晶结构的演化,随着冷轧变形量的增加,耐点蚀性增强；RAVINDRANATHR K等[10]发现工业气体中存在的有机氯化物分解而形成的酸性氯化物会导致304 L不锈钢产生麻点或腐蚀开裂失效；张慧娟等[11]发现拉应力使304 L不锈钢线性极化电阻降低,材料表面活性提高,导致钝化膜稳定性降低、破裂溶解并抑制钝化膜再修复。

至今,对不同晶粒尺寸、热处理工艺、表面涂覆等状态的304奥氏体不锈钢在各类腐蚀环境中的腐蚀行为研究[12-16]较多,而成形工艺方法对材料表面电化学腐蚀行为影响的研究很少，因此,本文研究探讨典型板材成形工艺(冲压、渐进成形)对SUS304不锈钢的电化学行为的影响,进一步揭示不锈钢制件的腐蚀特征和机理,为钣金件工艺选择提供参考。

1 实验和理论分析方案

实验材料选用SUS304不锈钢,试样尺寸统一为100 mm×100 mm×0.3 mm,材料基本参数为:密度7 930 kg/m3,弹性模量194 GPa,屈服强度236 MPa,抗拉强度780 MPa,硬化指数1.38,泊松比0.28。分别采用冲压和渐进成形加工出如图1所示的制件。渐进成形试验采用NH3525数控渐进成形机,选用直径10 mm的半球工具头,采用分散进给点和交叉斜向进给,每层进给量取0.5 mm。

图1 试样尺寸、制件和去除法兰边后的成型区

浸泡腐蚀试验在5%稀盐酸溶液中进行,将冲压、渐进成形制件分别进行整体腐蚀和去除法兰边后成型区腐蚀,全浸48 h后取出。电化学实验试样是采用线切割,从冲压、渐进成形制件同一高度的侧壁截取,取样尺寸为15 mm×15 mm。电化学实验在P4000 A电化学工作站中进行,采用标准三电极体系,工作电极为被测试样,Pt为辅助电极,饱和甘汞为参比电极,腐蚀介质为1%稀盐酸溶液。测量电化学阻抗时,取正弦交流信号振幅10 mV,扫描频率范围0.01～100 000 Hz。测量Tafel极化曲线时,扫描范围取-0.8～2 V(相对于参比电极),扫描速度取1 mV/s。

为对比分析冲压和渐进成形制件的应力、应变和材料厚度变化等,在ABAQUS软件中进行成形过程的数值模拟,坯料与模具尺寸等条件与实验相同。

2 结果与分析

2.1 冲压和渐进成形对SUS304不锈钢腐蚀行为的影响

制件腐蚀后去除腐蚀产物前的外观(图2)显示：与冲压相比,渐进成形制件与工具头实际接触区域的颜色最深,腐蚀最为严重；渐进成形制件法兰边区域几乎没有腐蚀产物出现,但冲压制件的法兰边区域则出现了腐蚀产物,且呈现一定的区域性分布。

碳钢静态腐蚀失重率及其电化学行为能反映材料液固两相腐蚀交互作用的本质,腐蚀速率v越高,抗腐蚀能力越弱[1-2]，

(1)

式(1)中,金属腐蚀速率v,g/m2h；腐蚀前试件质量mo,g；腐蚀后试件质量m,g；试件暴露在腐蚀环境中的表面积A,m2；腐蚀时间T,h。

结合表1和表2可知,整体而言,成形后制件的失重率大约为原始坯料的4倍,且冲压制件的失重率比渐进成形制件至少高10%。考虑加工前后表面积的变化,冲压、渐进成形和原始材料的单位面积腐蚀失重分别为88.64、81.03、21.13 g/m2。若重点考虑成形方式对耐蚀性的影响,需要除去法兰边,只对成型形区域进行腐蚀称重,其结果表明冲压制件的成型区的失重率相比整体制件有所降低,而渐进成形的失重率却陡然增大，高达原始坯料的6～7倍。

图2 冲压(a)、渐进成形(b)制件腐蚀后外观形貌

表1 制件整体腐蚀的质量变化

表2 去除法兰边后成形区域腐蚀的质量变化

图3是制件成形末期应力应变的分布，可见：渐进成形制件的整体应力、应变大于冲压制件，最大应变位于侧壁区域,最大应力出现在圆角部分；冲压制件的最大应力和应变均位于坯料和冲头接触的圆角过渡区域。这是因为渐进成形中工具头的分散进给,成形载荷远低于传统冲压,压边区几乎未发生变形。而冲压由于成形载荷大,压边区坯料向成形区域流动并产生一定的变形，因此,结合静态腐蚀全浸实验可知,冲压制件法兰边区域的腐蚀程度大于渐进成形制件。

整体而言,冲压制件的耐蚀性略低于渐进成形制件，但单独考虑加工过程对成形区的影响,渐进成形制件的耐蚀性低于冲压制件。

图4是2种工艺成形制件的壁厚分布对比,可以看出：2种不同成形工艺制件的壁厚分布、局部变形量上存在较大差异，渐进成形制件的壁厚减薄更加严重,其最大厚度减薄率分别为39.19%和43.96%。

图3 成型后冲压(a)、渐进成形(b)制件的应力应变分布

图4 成形后制件的壁厚分布

上述差异将影响电化学实验中电极电位Δφ[3,16]:

(2)

式(2)中,Δφ为电位变化；i为常数,取值0～1,纯弹性变形取0,纯塑性变形取1；ΔP为固相中残余应力或施加应力；Z为常数；F为常数；n为塞积群中的位错数；Δτ为材料形变强化程度；R为气体常数；K为玻尔慈曼常数；Nmax为单位体积内最大为错数;α为位错密度;V为物质的克分子体积,LU B T等[17]认为无论是弹性变形还是塑性变形,V变化不大(最大为0.1%)。

由式(2)可知,在弹变区i=0时,ΔP随应变量的增加而增加,电位负移；在弹/塑变形区i取0～1时，ΔP仍随应变量的增加而增大,少量位错开始滑移,预先存在的位错群部分溶解,使nΔτ减小,但是ΔP的增加程度大于nΔτ减小程度,所以电位值正移；进入塑性变形后,生成大量新的位错,位错相互缠接交错,形成位错塞积群,位错滑移受阻增大了内应力并引起流变应力强化,nΔτ增大,电位负移更为明显。综上所述,SUS304不锈钢在电化学试验中电位的移动方向因变形量、形变强化和位错等参数而变化。

2.2 冲压和渐进成形后材料的电化学特性

图5、图6分别是不锈钢在不同成形工艺下的的Nyquist图和等效电路图，可见：等效电路基本反映SUS304不锈钢在HCl溶液中实际的初期腐蚀过程。不同成形工艺下试样的Nyquist图呈现相似的形状,都含有容抗弧和阻抗射线2个阶段；从容抗弧的半径变化和表3拟合数据可以发现,与材料相关的相位角CPE2均减小,反映经过加工成形后SUS304表面状态均发生了改变。变形量大的渐进成形试样,其双电层电容CEP1增大,转移电阻Rct逐渐减小,而转移电阻Rct与反应速率v成反比[18],即渐进成形试样在1%HCl溶液中的反应速率比冲压试样的大,渐进成形对SUS304不锈钢钝化膜溶解具有一定的促进作用,而冲压成形对SUS304不锈钢钝化膜溶解具有一定阻碍作用。

图5 不同成形工艺下SUS304不锈钢的Nyquist图

图6 等效电路图

表3 等效电路拟合参数

由图7可知,不同工艺下试样的bode图呈现相似的变化规律。与原始坯料相比,冲压后材料的阻抗值|Z|和相位角均增大,相位角峰值收窄,说明冲压后钝化膜的稳定性增加,而渐进成形后钝化膜稳定性减弱。成形工艺对钝化膜的影响可能来自二个方面:

一是渐进成形由于局部点压、逐渐进给的加载方式,这种反复的“拉-压”交替作用增加了坯料的金属结构缺陷,材料表面产生了肉眼可见的加工痕迹,多次变形孪晶和应变导致钝化膜破损加剧,材料表面自由焓增高,制件表面的化学活性增大。另外,由图3和图4可知,渐进成形制件的应力应变远远高于冲压制件,可以推断位错大量堆积,使得ΔP的增加程度小于nΔτ增大程度,电位负移,加快了腐蚀进程,降低了再钝化能力,钝化膜溶解速度高于其修复速度。

二是相对原始坯料而言,冲压为整体一次成形,变形量增加,ΔP增大,同时少量位错开始移动,位错群部分溶解,使nΔτ减少,但是ΔP的增加程度大于nΔτ减少程度,电位正移,转移电阻Rct增大,腐蚀速率减慢,损伤的钝化膜修复速度大于溶解速度,而使再钝化能力提升。

图7 不同成形工艺下SUS304不锈钢的bode图

2.3 不同成形工艺试样的动电位极化曲线

图8为不同成形工艺试样的动电位极化曲线图。结合表4可以看出：原始坯料与2种工艺成形试样的极化曲线整体呈现出相同的趋势,都依次经过了活性溶解、钝化、过钝化等过程。与原始坯料相比,冲压和渐进成形试样的自腐蚀电位均存在小幅波动，但渐进成形试样的腐蚀电流密度增加幅度较大,击穿电位Eb降低,而冲压后击穿电位Eb几乎不变。

图9显示：冲压成形试样的点蚀坑明显更小,而渐进成形后试样的点蚀坑大而多,且出现点蚀穿孔的倾向,这说明经渐进成形后试样的耐蚀性和点蚀敏感性均有小幅降低；而冲压成形后耐蚀性降低,耐点蚀能力增强。这可能是因为经过成型后的试样表面活性提高,腐蚀电位负移,渐进成形比冲压成形变形量大,将产生大量的空位和位错,其周围产生了点阵畸变和应力场,平面位错塞积群中位错的数量n增多,电极的电化学活性增加,电极电位进一步负移,阳极溶解过程加速,试样耐蚀性降低。