SUS304不锈钢腔体生锈的研究与解决

黄福敏

（广东格兰仕微波生活电器制造有限公司 中山 528400）

引言

新品电蒸炉开发，老化测试发现腔体（内胆）生锈问题，腔体为304不锈钢材质，防锈性能较好，类似产品开发从未发现过此问题。本次问题的出现就是不锈钢常识导致走错了方向，当不锈钢表面出现褐色锈斑（点）的时候，大部份人都感到惊讶：认为“SUS304不锈钢是不生锈的，因为SUS304不锈钢是优质、高级不锈钢，可能是其它物质附在材质表面”。其实，这是对不锈钢缺乏了解的一种片面的错误看法。不锈钢在一定的条件下也会生锈的。特别是在高温高湿条件下，防锈更优的316不锈钢也会生锈。

1 腔体生锈问题背景简述

电蒸炉在模拟用户使用时，需要进行老化测试，老化以最严格的方式进行，机器煮水工作2 h，停止冷却1 h，连续进行3 000 h老化，停止冷却时间不计。问题第一次出现时，一般老化100 h左右开始在腔体顶部出现轻微锈点，继续测试后，问题越来越严重。见图1。

图1 腔体生锈异常

腔体生产工序较多，需要每个工序都分析有没有出现异常的可能性。该腔体采用全球第一条全自动化生产线生产，从卷料到成品全自动化生产，自动化生产差异正常是较小的。反之，正因生产工序多，分析要点也涉及较多。

正常的腔体生产工艺是：开料—拉伸—折U成形—等离子焊接U型框—压顶部压包—自动激光焊接腔体后板—撕覆膜送入清洗线烘干—打包缠胶。

异常问题描述：锈点主要分布腔体在R角和顶部，第一批老化的机器未发现异常，而第二批以后的机器均出现生锈。腔体锈点主要集中在R角和顶部压包位置。

2 腔体生锈原因分析

2.1 总体方案制定

通过收集并查询相关资料，了解不锈钢的耐腐蚀性主要是因为在钢中添加了较高含量的Cr元素，其易于氧化，能在钢的表面迅速形成致密的Cr2O3氧化膜，不锈钢的耐腐蚀性能主要依靠表面覆盖的这一层极薄的致密的钝化膜[8]，这层钝化膜与腐蚀介质隔离，是不锈钢防护的基本屏障，如果钝化膜不完整或有缺陷被破坏，不锈钢会很容易被腐蚀。

根据腔体的生产工艺流程，进行详细排查，发现焊接有更换过程等离子焊接夹具，是否等离子夹具受到铁锈或游离铁的污染？腔体清洗过程钝化层是否被破坏或污染？根据问题情况，研究讨论后制定了以下几个大步骤去分析、测试验证。

1）R角和顶部压包区域发外到第三方认证机构进行化学成份分析。

2）确认是否腔体拉伸成形过程材质拉伤或变性导致材料易生锈。

3）是否腔体表面受到污染，有氧化铁、游离铁等物质。生产过程与腔体接触的工装夹具都要需检查排除 ，是否工装生锈或类似物质污染到腔体。

4）是否清洗线清洗过程异常，表面受损或交叉污染。

5）采购客户和竞品样机进行测试验证，并同步进行结构分析比较。

根据五大部步骤制定了如下测试方法，测试需要进行AT冷凝水测试、盐雾测试、游离铁测试、老化测试。见表1。

表1 测试方案

2.2 详细方案分析

2.2.1 化学成份分析

整机拆出腔体，用剪刀从腔体上剪下第一批和第二批老化腔体的R角和压包位置，发第三方机构进行分析，了解不同批次腔体化学成份有什么差异。

2.2.2 确认是否腔体拉伸成形过程材质拉伤或材质变性需进行AT测试和盐雾测试来确定。

其中，AT测试是冷凝水气候测试试验方法，该方法是德国的测试标准[2]。是一种耐潮湿性能测试方法。模拟气候变化对试样的影响，测试方法见表2。

表2 冷凝水测试气候

2.2.3 是否腔体表面受到污染，有氧化铁、游离铁等物质。生产过程与腔体接触的工装夹具都要需检查排除 ，是否工装生锈或类似物质污染到腔体。

腔体是否受到氧化铁、游离铁的污染，可以在腔体成品中，进行游离铁测试，焊接工装夹具上是否有氧化铁、游离铁等污染物，需要对工装进行酒精拭擦清洁。拭擦前后的测试对比。要求每天生产线工作前，均需要对等离子焊接工装酒精拭擦清洁。

其中，游离铁测试采用蓝斑检测法，该方法可以检测腔体是否有铁锈、游离铁污染。方法是：将铁氰化钾加入蒸馏水中，再加入硝酸，搅拌直到所有铁氰化钾溶解，并用蒸馏水稀释。配制好的溶液直接喷到腔体表面，如果在30s内有深蓝色的斑点出现则表示有金属铁、游离铁污染。

2.2.4 是否清洗线清洗过程异常，表面受损或交叉污染。

清洗线生产工艺是：腔体撕覆膜——上挂——脱脂1——脱脂2——自来水清洗——纯水清洗——烘干——检查外观——打包缠胶。

根据清洗线的生产工艺，需要排查每一工序是否存在异常或不良操作。按要求对清洗线进行点检，要求每天点检，每2周更换清洁槽清线液，外观加严检验，确认是否有刮花、斑污等异常，并对清洗和不清洗的腔体安排进行AT测试和盐雾测试。

2.2.5 采购客户和竞品样机进行测试验证，并同步进行结构分析比较。

客户反馈他们的样机做老化3 000 h测试无异常。

3 测试分析结果汇总

3.1 化学成份分析

TUV机构的化学成份报告结果说明：两种材质均符合国家标准[4]SUS304的化学成份要求。成份无异常。图2为第一批和第二批机器R角和压包取样，图3为化学成份分析结果。

图2 机器R角和压包取样

图3 化学成份分析结果

3.2 AT冷凝水测试

AT冷凝水测试委托第三方认证机构进行检验。测试区域见图4。

图4 测试区域图

按制定的方案进行了9个循环AT冷凝水测试，腔体拉伸压包和R角位置测试无明显异常。试样测试结果见图5、图6。

图5 试样测试结果

图6 试样测试结果

3.3 盐雾测试

盐雾测试执行国家标准GB/T 10125-2012，对各类腔体500 h中性盐测试，每天定期观察，腔体内部应无腐蚀、生锈、氧化等不良现象出现。

3.4 游离铁测试

蓝斑检测法测试，对各类腔体内部喷测试溶液，未发现的变蓝，无明显异常。

化学成份分析、AT测试、盐雾测试、游离铁测试无异常，但老化还是生锈，已消耗了较长的时间，前面制定的方案均验证，未找出问题原因。

4 最终方案测试分析

4.1 最终方案制定

由于前面制定的方案均未能找到问题根源，重点进行样机测试分析。机器差异如下：

1）客户样机老化测试水垢较少；

2）样机为进口304材质；

3）公司产品腔体顶部覆盖有发热丝，客户样机没有。

4.2 是否水垢问题导致

自来水中的水垢含杂质较多引起，需要使用纯水进行老化验证。纯水经过过滤，没有杂质，老化测试后水垢极少。但由于电蒸炉98 %的用户均会使用自来水来烹饪，若纯水能解决腔体生锈的问题，也不符合用户使用习惯，纯水老化测试仅供参考，后期测试了700 h左右开始出现了锈点，测试结论：水垢是一个影响因素，但不是关键因素。

4.3 进口304材质耐腐蚀性更好

客户样机腔体材质均为进口304材料，国产SUS304耐腐蚀性差？使用耐腐蚀性更好的SUS316材质，并按正常生产工艺生产腔体，装整机进行老化测试。结果316材质腔体老化250 h，开始出现锈点。

4.4 腔体覆盖发热丝引起

经测试发现竞品样机老化测试也会生锈，而客户样机老化测试200 h未出现异常。机器差异仅是我司腔体顶部覆盖有发热丝。顶部覆盖发热丝，行业内大部分厂家均采用此结构，主要目的的防止腔体顶部产生冷凝水。

首先，降低发热丝功率，开始顶部发热丝功率是100 W，然后降到60 W，进行老化测试，测试了150 h，腔体开始生锈。但分析发现有一定的改善，前期老化120 h开始腔体生锈了，现在测试到150 h才开始生锈，继续降低发热丝功率到40 W，老化测试了170 h开始生锈，最后，取消发热丝测试验证。

取消发热丝测试验证，测试500 h未见异常，继续测试800 h未见异常。

经查询相关资料，了解不锈钢是靠其表面形成的一层极薄而又坚固细密的稳定的铬氧化膜，防止氧原子继续渗入、继续氧化，而获得抗腐蚀的能力。一但有某种原因，这种薄膜遭到不断的破坏，空气或液体中和氧原子就会不断渗入或金属中铁原子不断地析离出来，形成疏松的氧化铁，金属表面也就受到不断的锈蚀。本案例腔体表面存积蓄含有其它金属元素的水垢颗粒的附着物，在潮湿的空气中，附着物与不锈钢间的冷凝水，将二者连成一个微电池，引发了电化学反应，保护膜受到破坏，专业术语：电化学腐蚀。

电化学腐蚀指不纯的金属或其它类似物质接触电解质溶液时，发生原电池反应所造成的腐蚀。

因为氧是阴极去极化剂，因此也称此反应为溶解氧化学腐蚀。

在溶解饱和的水中一般的碳钢必将发生这类均匀的微电池腐蚀，但只要能抑制阳极或者阴极反应，就能抑制电化学腐蚀的进行，不锈钢就是通过程改变钢铁的化学组成，使之在表面成氧化铬膜，并抑制这类阴、阳极反应进行[12]。

本案例腔体模拟烹饪煮水测试，并腔体顶部覆盖发热丝，实测发热丝与腔体接触区域温度： 140～150 ℃，100 %湿度条件，催化加快电化学反应，引起腔体生锈。腔体顶部生锈的位置均被发热丝覆盖。

不锈钢腐蚀与温度的关系[13]，见图7，在150 ℃左右，腐蚀速率最高。

从该腐蚀机理，反推解决方案，就是要防止产生电化学反应，即要求定期清洁腔体内部。

图7 温度与腐蚀的速率关系

如果每天清洁一次腔体，不取消发热丝理论上也能解决此问题，但产品实际使用中，消费者不可能每天都去清洁腔体，这样解决问题不实际，最终确认：至少每周清洁一次腔体内部，保证腔体表面干净清洁，阻止发生电化学反应，防止腔体生锈氧化。

找到问题发生的机理后，通过取消发热丝，并要求实验室老化测试过程，每周清洁一次腔体内部，持续老化测试到3 000 h无异常，问题得到了最终解决。同时，将清洁保养要求导入说明书中，提醒消费者要注重机器的清洁保养。否则，机器频繁使用后可能会出现腔体生锈问题。

5 结语

腔体生锈问题分析与解决耗费较多时间和资源，主要是普通常识和行业结构的误导，认为SUS304本身不锈钢不会生锈，生锈是外来污染导致。次之，认为不锈钢来料存在质量问题、测试条件苛刻，SUS304满足不了这么严酷的测试要求。然而SUS316不锈钢验证也存在问题，同时使用SUS316成本极高，不实际。腔体顶部覆盖发热丝是行业内比较成熟的结构，没有产生怀疑，导致走了较多的弯路。最终，取消腔体顶部发热丝，并要求定期清洁腔体，防止形成电化学腐蚀，彻底解决了SUS304不锈钢腔体生锈问题。