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发动机凸轮轴用钢管酸洗试验研究

2023-05-27彭福本

钢管 2023年2期
关键词:酸洗端面硫酸

彭福本,蔡 煜

(1. 江苏长强钢铁有限公司,江苏 泰州 214500;2. 江苏常宝普莱森钢管有限公司,江苏 常州 213200)

钢管酸洗是钢管冷拔前的一道重要工序[1-10]。某公司生产的S45C 发动机凸轮轴用钢管母管在冷拔酸洗过程中出现外表面针孔、有刺鼻气味气体散发的情况。为了解决此问题,现采用对比试验方法,研究硫酸酸洗对S45C 发动机凸轮轴用钢管表面质量的影响。

1 试验材料与试验方法

1.1 试验材料及试验仪器

选用Φ34 mm×6 mm 规格S45C 光亮管,沿着其纵轴方向截取长度为20 mm 的试验样管。试验仪器选用上海比朗仪器制造有限公司的SC-30 恒温水浴槽,温度范围为室温到100 ℃。

1.2 试验方法

在同一支钢管上截取16 根长度为20 mm 样管,编号1~8 为光亮管,编号9~16 是经650 ℃保温10 min 后外表面形成一层氧化皮的样管。将两种类型的样管用硫酸进行酸洗,观察酸洗对其外表面的影响。试验参数见表1。

表1 S45C 样管酸洗试验参数

(1) 观察在20%硫酸体积分数条件下酸洗温度及表面状态对S45C 样管外表面的影响。将S45C样管(光亮管与外表面氧化管各1 件)在两种温度(60 ℃和70 ℃)、体积分数为20%的硫酸中进行酸洗,保温时间为15 min,表1 中序号a 和序号c。

(2) 观察在20%硫酸体积分数条件下酸洗时间及表面状态对S45C 样管外表面的影响。将S45C样管(光亮管与外表面氧化管各1 件)在两种温度(60 ℃和70 ℃)、体积分数为20%的硫酸中进行酸洗,保温时间为30 min,与保温时间为15 min 的试验结果进行对比,表1 中序号b 及序号d。

(3) 观察硫酸体积分数及表面状态对S45C 样管外表面的影响。将S45C 样管(光亮管与外表面氧化管各1 件)在两种温度(60 ℃和70 ℃)、体积分数从20%降低至15%的硫酸中进行酸洗,保温时间为15 min 及30 min,表1 中序号e~h。

2 试验结果与分析

选用的S45C 样管的化学成分见表2,其金相组织及夹杂物等级见表3,硬度见表4,可见该样管本身及氧化处理后的样管的各项性能均符合要求。截取的样管用丙酮以及无水乙醇进行清洗并编号,如图1 所示。

图1 清洗后的S45C 样管

表2 S45C 样管化学成分(质量分数)%

表3 S45C 样管金相组织及夹杂物等级 级

表4 S45C 样管硬度HRB

2.1 酸洗温度对S45C 外表面的影响

将1 号与9 号样管用体积分数为20%、温度为60 ℃的硫酸进行酸洗,3 号与11 号样管用体积分数为20%、温度为70 ℃的硫酸进行酸洗,保温时间均为15 min。

(1) 在60 ℃酸洗保温15 min 的特征。样管刚放入溶液后反应剧烈,有刺鼻的气味散发,两种类型的样管反应程度基本一致,其中1 号样管(光亮管)起初反应稍剧烈。保温15 min 后将样管拿出清洗,外表面及端面状态如图2 所示。可以看出,两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致,外表面无针孔产生,偶有线性缺陷,但端面有明显疏松及针孔。

图2 S45C 样管在60 ℃的20%硫酸中酸洗15 min 后的状态

(2) 在70 ℃酸洗保温15 min 的特征。样管刚放入溶液,反应较60 ℃剧烈,有刺鼻的气味散发,两种类型的样管反应程度基本一致,其中3 号样管(光亮管)起初反应稍剧烈。保温15 min 后将样管拿出清洗,外表面及端面状态如图3 所示。可以看出,两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致,外表面无针孔产生,偶有线性缺陷,端面有明显疏松及针孔,但较60 ℃严重。

图3 S45C 样管在70 ℃的20%硫酸中酸洗15 min 后的状态

2.2 酸洗时间对S45C 外表面的影响

将2 号与10 号样管用体积分数为20%、温度为60 ℃的硫酸进行酸洗,4 号与12 号样管用体积分数为20%、温度为70 ℃的硫酸进行酸洗,保温时间均为30 min。

(1) 在60 ℃酸洗保温30 min 的特征。样管刚放入溶液,反应剧烈,有刺鼻的气味散发,两种类型的样管反应程度基本一致,2 号样管(光亮管)起初反应稍剧烈。保温30 min 后将样管拿出清洗,外表面及端面状态如图4 所示,可以看出,两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致,外表面无针孔产生,偶有线性缺陷;端面有明显疏松及针孔,较60 ℃+15 min 严重。

图4 S45C 样管在60 ℃的20%硫酸中酸洗30 min 后的状态

(2) 在70 ℃酸洗保温30 min 的特征。样管刚放入溶液,反应剧烈,有刺鼻的气味散发,两种类型的样管反应程度基本一致,其中4 号样管(光亮管)起初反应稍剧烈。保温30 min 后将样管拿出清洗,外表面及端面状态如图5 所示,可以看出,两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致,外表面无针孔产生,偶有线性缺陷;端面有明显疏松及针孔,较前三者严重。

图5 S45C 样管在70 ℃的20%硫酸中酸洗30 min 后的状态

2.3 硫酸体积分数对S45C 外表面的影响

改变硫酸体积分数至15%,分别将S45C 样管在60 ℃及70 ℃下进行酸洗,分别保温15 min 及30 min。

(1) 酸洗温度的影响。

将5 号、7 号、13 号、15 号样管用体积分数为15%的硫酸进行酸洗。其中,5 号与13 号的酸洗温度为60 ℃,7 号与15 号的酸洗温度为70 ℃,保温时间均为15 min。

在两个温度段将样管放入溶液,反应较体积分数为20%的硫酸弱,有刺鼻的气味散发,两种类型的样管反应程度基本一致,其中5 号、7 号样管(光亮管)起初反应稍剧烈。保温15 min 后将样管拿出清洗,60 ℃和70 ℃酸洗时样管的外表面及端面状态如图6~7 所示。可以看出,两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致,外表面无针孔产生,偶有线性缺陷,端面有明显疏松及气孔,但70 ℃酸洗时较60 ℃严重。

图6 S45C 样管在60 ℃的15%硫酸中酸洗15 min 后的状态

图7 S45C 样管在70 ℃的15%硫酸中酸洗15 min 后的状态

(2) 保温时间的影响。

将6 号(光亮管)、8 号(光亮管)、14 号、16 号样管用体积分数为15%的硫酸进行酸洗。其中,6号与14 号的酸洗温度为60 ℃,8 号与16 号的酸洗温度为70 ℃,保温时间均为30 min。

在两个温度段将样管放入溶液,反应较体积分数为20%的硫酸弱,有刺鼻气味散发,两种类型的样管反应程度基本一致,6 号、8 号样管起初反应稍剧烈。保温30 min 后将样管拿出清洗,60 ℃和70 ℃酸洗时样管的外表面及端面状态如图8~9所示。可以看出,两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致,外表面无针孔产生,偶有线性缺陷,端面有明显疏松及气孔,70 ℃较60 ℃严重。

图8 S45C 样管在60 ℃的15%硫酸中酸洗30 min 后的状态

图9 S45C 样管在70 ℃的15%硫酸中酸洗30 min 后的状态

2.4 小结

通过上述分析,可得S45C 样管在不同酸洗工艺下的酸洗试验结果见表5,发现酸洗温度、酸洗时间与酸洗表面缺陷的严重程度成正比。

随后对上述腐蚀严重的样品纵剖磨制纵向,均未在其外表面发现明显缺陷。

3 结论

(1) 硫酸体积分数降低时,S45C 样管在相同温度及保温时间下的腐蚀程度降低。在相同体积分数的硫酸条件下,S45C 样管的腐蚀程度随酸洗温度及保温时间增加而增加。与S45C 氧化管相比,光亮管在硫酸溶液中的起初反应更剧烈。

(2) S45C 样管放入溶液有刺鼻气味散发,稀硫酸与铁反应产生硫酸亚铁及氢气,产生的主要是氢气,同时有微量的酸雾(氢气泡在液面破裂时带出的微小液滴),在加热状态下酸雾挥发严重,因此具备刺激性,属于正常化学反应。

(3) 鉴于之前酸洗一直使用的是S45C 氧化管,结合试验,建议将此批光亮汽车母管(表面基本无氧化皮)的酸洗工艺调整为:硫酸体积分数从20%调整为15%,酸洗时间从10 min 调整为5 min,温度从60~70 ℃调整为50~60 ℃。采取调整后的酸洗工艺时,酸洗气味和表面质量得到明显改善。

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