超声波辅助淬火对舵杆海洋用钢腐蚀性能的影响

2021-09-07蒋黄子郭月超薛晓宁

船舶 2021年4期

江心蒋黄子郭月超薛晓宁

（中国船舶及海洋工程设计研究院上海 200011）

引言

由于海水的高盐度对金属材料具有较强的腐蚀性，材料较一般环境下更易腐蚀。据统计，我国每年因海洋腐蚀造成的损失超过总损失量的50%以上，严重阻碍了海洋产业的发展进程。作为机械工业中应用最广泛的材料之一，钢铁的显微组织较为复杂，并且可以通过热处理手段对其进行控制和调整，而材料的微观组织又影响着工件的使用性能。

目前随着科技的发展，已经有不少学者研究将超声波振动引入到材料的热处理过程中。管鄂和林益平通过超声波水淬低碳钢和超声波-紊流复合场效应油淬合金钢的试验，证明了超声波在淬火介质中的场效应可以增大淬火介质的冷却烈度；陈静在淬火油中加入超声波后，可以使材料表面的软点数量明显减少，而且可以提高试样的平均硬度且使硬度分布趋向均匀，使材料的淬透性明显增强。V. E. Eremin通过用热电偶测量介质水和油的冷却速率曲线，发现在超声波振动的空化效应下，介质的冷却速度显著提高。Honda发现超声振动在热传递过程中可以通过超声波的空化效应破坏淬火介质的热边界层和速度边界层，降低了淬火介质的热阻；同时通过超声波的声流效应导致试样周围的液体产生紊流层，从而改善淬火介质与试样之间的换热效率。但对于超声波辅助淬火对材料腐蚀性能的研究还比较少，因此，本文主要通过在模拟海水环境中的电化学腐蚀试验来研究超声波辅助淬火对舵杆用35CrMo钢腐蚀性能的影响，为以后的舵杆用钢热处理工艺提供参考。

1 试样制备与试验方法

1.1 试样制备

试验所用材料35CrMo钢属于CrMo钢系，韧性大、强度高，且价格相对于很多具有同等力学性能的其他合金钢低廉很多，因此是船舶行业中较为常用的钢种，主要化学成分见表1。

表1 35CrMo的主要化学成分（wt.%）

1.2 试验方法

用电火花切割机从35CrMo成品圆钢上切2个尺寸30 mm×60 mm的棒状试样，用高温智能箱式炉将试样以相同的升温速度加热到850℃，保温36 min后，在洁盟JP-100ST型大功率超声波工业清洗机中进行常规淬火和超声波辅助淬火，超声波功率为600 W，淬火热处理工艺流程如图1所示。淬火结束后，通过Olympus DSX500 型光学显微镜（见图2），观察试样边部与心部的显微组织与晶粒尺寸，分析超声波辅助淬火对材料组织与淬透性的影响，试样制备过程示意图见下页图3。随后，从组织观察的试样中切下尺寸为10 mm×10 mm×15 mm的立方体，配置质量分数为3.5%的NaCl溶液模拟海水环境，通过CHI660E三电极电化学工作站对试样进行电化学腐蚀试验（见图4）。

图1 淬火试样工艺曲线

图2 Olympus光学显微镜

图3 试样制备过程示意图

图4 电化学工作站

2 试验结果及分析

2.1 显微组织分析

由图5清晰可见：在常规淬火时，试样的微观组织中有不少块状的残余奥氏体存在，马氏体组织粗大不均匀，且在试样内部的微观组织中，块状残余奥氏体增多，并产生了珠光体。而在超声波辅助淬火试样的微观组织中，残余奥氏体基本消失，组织转变为板条状的马氏体。这是因为在常规水淬冷却时，炽热的工件在放入淬火介质的瞬间，会造成淬火介质的气化，在试样的周围形成一层高温蒸气薄膜，阻碍工件与淬火介质之间的热量交换，降低试样的冷却速度，使试样淬冷至室温时还有部分过冷奥氏体没有转变为马氏体，变成残余奥氏体存在于试样的常温组织中，并在冷却过程中发生高温转变，形成珠光体组织。

图5 不同超声波功率淬火试样的边部与心部的金相组织

而在淬火介质中引入超声波能场后，由于超声波的声流和空化效应，破坏了工件表面的蒸气薄膜，使冷却速度较快的沸腾冷却阶段提前到来，从而提高了试样的冷却速度；同时超声波的声流效应促进了液体的流动，增强了试样与淬火介质间的换热效率，改善了淬火介质的冷却速率，使马氏体的Ms温度点提高，从而降低马氏体转变所需的相变驱动力，使超声波辅助淬火试样的显微组织能基本全部转变为淬火马氏体。

2.2 晶粒度分析

从图6可以看出，常规淬火试样的晶粒大小极不均匀，并且晶界周围有较多的碳化物析出，且试样心部位置的大尺寸晶粒数量明显比边部增加许多。而进行超声波辅助淬火后，试样的晶粒尺寸明显变小且更加均匀，极大尺寸的晶粒基本消失，且没有黑色的碳化物析出。

图6 不同超声波功率淬火试样的边部与心部的微观晶粒

利用Image-J软件统计分析常规淬火试样和超声波功淬火试样的晶粒尺寸，参见图7。可以看出：相比超声波辅助淬火试样，常规淬火试样的晶粒尺寸的大小不均匀，分布更为分散。通过测量可知，常规淬火试样的晶粒尺寸最大为72.702 μm，最小为2.083 μm，平均晶粒尺寸为19.967 μm，方差为251.962，尺寸在10~40 μm范围的只有51.74%；加入超声波后，试样的晶粒最大减小到61.006 μm，最小晶粒增大到4.392 μm，平均晶粒为18.802 μm，方差为120.181，尺寸在10~40 μm范围的增大到71.13%。因此可得出：在淬火介质中引入超声波能场，可以使试样晶粒大小均匀化，增强试样的淬透性。

图7 试样晶粒尺寸分布

2.3 腐蚀性能分析

2.3.1 动电位极化曲线（Tafel）

下页图8为试样的Tafel曲线，以腐蚀电流的对数［log（

）］为横坐标，腐蚀电位（

）为纵坐标，显示了电极在外加电势作用下的阳极和阴极极化行为。由图8可知，相比超声波辅助淬火试样，常规淬火试样的腐蚀电位更低且腐蚀电流密度较大，表明超声波辅助淬火试样的耐腐蚀性能更好。这是因为常规淬火试样的微观组织中存在着电极电位不同的相组织，在海水环境中形成腐蚀微电池，因而更容易发生腐蚀反应。

图8 超声波辅助淬火和常规淬火试样的极化曲线图

2.3.2 电化学阻抗谱（EIS）

图9是试样在模拟海水环境中的电化学阻抗谱（EIS）测试结果，图9（a）为常规淬火和超声波辅助淬火试样的Nyquist曲线。根据电化学原理可知，Nyquist 图中的曲线直径与试样的阻抗呈正相关，图中超声波辅助淬火试样的圆弧半径明显大于常规淬火试样的圆弧半径，即超声波辅助淬火试样的腐蚀性能有显著提高。图9（b）和图9（c）是试样的Bode图。由图9（b）可知，超声波辅助淬火试样腐蚀产物膜的阻抗约为3.0 Ω，大于常规淬火试样的2.6 Ω，故超声波辅助淬火试样的耐腐蚀性能要优于常规淬火试样。图9（c）中的曲线的峰值是由于保护膜的形成而产生的，而常规淬火试样和超声波辅助淬火试样的最大峰值分别是61和69，超声波辅助淬火试样的最大相位角略大，这也表明超声波辅助淬火试样的腐蚀速率低于常规试样的腐蚀速率。

图9 淬火试样的阻抗谱

2.3.3 表面腐蚀形貌

如图10所示是试样电化学腐蚀试验后的腐蚀表面宏观形貌图。可以看出，常规淬火试样的腐蚀情况较为严重，试样的腐蚀表面已经基本全部被黄褐色的腐蚀产物所覆盖，腐蚀颗粒粗大，局部出现有颜色较深的黑色腐蚀斑。而超声波辅助淬火试样的腐蚀情况明显减轻许多，试样的腐蚀表面大部分还都具有金属光泽，少量细密的腐蚀产物零星分布在试样表面，腐蚀产物层较薄，耐腐蚀性能明显优于常规淬火试样。因为材料相成分和显微结构的差异，会造成金属中存在一条易于腐蚀的连续通道。在这条通道上的金属会优先发生阳极的溶解，与周围的主体金属形成腐蚀电池反应，从而促进电化学腐蚀的产生。

图10 试样腐蚀表面宏观图

同时，由图6可知，常规淬火试样的部分晶粒尺寸过大，而过大尺寸的晶粒在成长过程中产生较多缺陷，这些缺陷在极化过程中会产生空间电荷，促进腐蚀反应的发生与发展进程；而且，晶粒尺寸过大时，在晶界融合和大晶粒吞并小晶粒的过程中，也会产生较大的应力，降低试样的耐腐蚀性。由图6还可以看到，常规淬火试样的晶界间有较多的渗碳体析出，使晶界间具有较高的化学能，降低试样的耐腐蚀性能。

如图11所示为试样电化学腐蚀试验后的表面腐蚀形貌的SEM图像。可以看到，常规淬火试样的腐蚀表面覆盖着一层龟裂的腐蚀产物层，腐蚀表面表现出明显的点蚀现象，同时还可以看到有较多的块状腐蚀产物布满试样的腐蚀表面，且有部分腐蚀产物已经开始剥落，腐蚀情况较为严重。而超声波辅助淬火试样腐蚀的最外层表面还没有开始脱落，只有少量点腐蚀裂纹，局部区域有腐蚀产物凸起于表面之上，出现“开花”现象，块状腐蚀产物较小、较少，腐蚀产物层较薄。同时从图11（c）和图11（f）中可以看出，进行超声波辅助淬火热处理后，试样的腐蚀裂纹显著变浅变窄。这表明，在海水环境中，超声波辅助淬火处理后试样的耐蚀性比常规淬火试样强，与上述电化学测试分析得出的结论相同。