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2024-10-17 22:08
汽車用彈簧鋼絲65SiCrV6 的表面處理工藝改進(jìn) 已關(guān)閉
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隨著汽車產(chǎn)業(yè)輕量化的發(fā)展,，高強(qiáng)度彈簧鋼需求量持續(xù)增長，其中 65SiCrV6 為其中最典型的材料,。目前高強(qiáng)度彈簧鋼絲生產(chǎn)廠商主要有國外鈴木加普騰,、神戶制鋼、韓國DSR 以及國內(nèi)中鋼制品院等,。因65SiCrV6 淬回火鋼絲強(qiáng)度高對表面缺陷敏感,，造成客戶卷簧過程中容易出現(xiàn)因表面缺陷造成卷簧斷裂問題，目前該類產(chǎn)品質(zhì)量控制的一核心要素就是控制鋼絲表面質(zhì)量,、減少鋼絲表面缺陷的發(fā)生概率,。
車間生產(chǎn)過程中使用某鋼鐵公司生產(chǎn)的65SiCrV6 熱軋線材經(jīng)剝皮、正火,、表面處理后,，拉拔至半成品鋼絲，按正常工藝?yán)螘r發(fā)現(xiàn)多件鋼絲表面有嚴(yán)重的橫裂缺陷,。如圖1 所示,，鋼絲表面的橫裂缺陷非通條連續(xù)，僅局部有橫裂且其附近顏色呈黑色,，無法滿足拉絲表面質(zhì)量要求?，F(xiàn)場觀察未拉拔的鋼絲表面，發(fā)現(xiàn)鋼絲夾縫處存在黑色條狀斑紋,。 1 表面質(zhì)量問題原因分析 選取上述有問題的拉拔前后的鋼絲進(jìn)行試驗(yàn)分析,，選用退膜液去除鋼絲表面磷化層后采用體式顯微鏡進(jìn)行表面觀察。退膜液成分：φ（NaOH）=100 g/L,、φ（EDTA）=90 g/L,、φ（C6H15NO3）=4 g/L，于70±5℃下退膜5 分鐘,。 磷化后的未拉拔的鋼絲經(jīng)過退膜液處理后,， 觀察鋼絲表面。如圖2 所示,，鋼絲表面磷化膜脫落,，但鋼絲表面原有的黑斑不溶于堿性溶液未脫 落；對黑斑處進(jìn)行電鏡觀察呈現(xiàn)片狀氧化層的形 貌,，利用EDS 譜線檢測黑斑處成分主要為Fe,、O， 與氧化層成分基本相符,。故斷定黑斑為酸洗未 洗凈的氧化層,。鋼絲夾縫中的氧化層未清洗干凈,，磷化后在殘留氧化層表面覆蓋少量的磷化層。但由于氧化層為脆性物質(zhì),，拉拔過程中不能起到潤滑載體作用,，拉拔過程中黑色氧化層被壓入到鋼絲基體，鋼絲表面潤滑不良,，經(jīng)過一段時間后形成橫裂的表面缺陷［1］,。 拉拔后鋼絲表面 （a） 拉拔前鋼絲表面
圖1 65SiCrV6 鋼絲表面形貌 1 表面處理工藝改進(jìn) 3. 1 工藝流程的改進(jìn) 考慮到剝皮正火后鋼絲進(jìn)行間歇式酸洗，鋼
圖2 去除磷化膜的鋼絲表面形貌 絲的夾縫之間接觸緊密容易存在未清洗干凈的氧化皮,；為規(guī)避鋼絲周轉(zhuǎn)過程中存在的擦傷,、碰傷等風(fēng)險，將原有的剝皮正火后間歇式酸洗改成連續(xù)式在線酸洗,。改進(jìn)后具體工藝流程：剝皮→ 正火→在線酸洗→水洗→表調(diào)→在線磷化,。 3. 2 生產(chǎn)工藝參數(shù) 3. 2. 1 在線酸洗工藝 間歇式酸洗可采用硫酸、鹽酸等強(qiáng)酸酸洗,， 其去除氧化皮原理為：酸的溶解作用,、氫氣的剝 離作用以及電化學(xué)腐蝕作用［2］。無論是鹽酸還 是硫酸酸洗,，由于SO42-,、Cl-等離子對后續(xù)磷化質(zhì) 量有直接影響,，故磷化之前相關(guān)雜質(zhì)離子需去除 干凈,，但會產(chǎn)生大量的廢酸、廢水,。使用磷酸可 以實(shí)現(xiàn)廢水零排放,，符合零排放理念?？紤]到現(xiàn) 有國家政策,、地方政府環(huán)保要求，為減少環(huán)境污 染選用酸液為磷酸,。相比傳統(tǒng)硫酸,、鹽酸其優(yōu)點(diǎn) 主要有：磷酸的酸性相對小、對鋼絲表面的腐蝕 小,，鋼絲不容易出現(xiàn)過酸洗現(xiàn)象,。磷酸對氧化物 具有良好的溶解能力，與亞鐵離子配位后,，其溶 解度會增加,；磷酸揮發(fā)性弱、對設(shè)備腐蝕性要??； 磷化液主要成分中含有磷酸,，酸洗后殘留的少量 磷酸對磷化體系影響頗小，故鋼絲磷酸酸洗對沖 洗水質(zhì)要求不高,。磷酸酸性廢水可通過曝氣或 添加雙氧水后,，將水中亞鐵離子氧化沉淀后通過 壓濾方式分離出去，上清液可繼續(xù)回用,。相關(guān)反 應(yīng)方程式如下： H2O2+Fe2++H+→Fe3++H2O (1) Fe3++PO43-→FePO4↓ (2) 鋼絲正火相變轉(zhuǎn)變后表面溫度依舊很高,，可充分利用鋼絲余熱加熱酸液。酸洗采用兩道酸洗,，一道為預(yù)酸洗,，鋼絲進(jìn)入約5% 酸液后爆水，氧化皮會迅速剝落,，且在酸液浸蝕下,，鋼絲表面氧化層繼續(xù)溶液；經(jīng)過首道酸洗后鋼絲表面大部分氧化層已經(jīng)去除干凈,，為去除殘留氧化層,，使用超聲波清洗。超聲波清洗的主要機(jī)理為利用“超聲空化”作用對鋼絲表面環(huán)流沖刷伴隨產(chǎn)生攪拌等綜合效應(yīng),，使鋼絲表面氧化層中的金屬化合物瞬時從鋼絲表面脫落,。采用低濃度酸洗溶液做清洗介質(zhì)，通過化學(xué)反應(yīng)將金屬氧化物溶解,。將超聲波清洗與化學(xué)清洗有機(jī)地結(jié)合在一起,，形成超聲化學(xué)清洗，強(qiáng)化了清洗效果,，可將殘留氧化層徹底去除干凈［3］,。優(yōu)化后的酸洗工藝見表1。 表1 酸洗工藝參數(shù)
3. 2. 2 表調(diào)工藝
求頗高,，殘留磷酸進(jìn)入后會逐步將膠體破壞造成 表調(diào)失效，從而使得鋼絲表面無法形成細(xì)小晶 核,，影響鋼絲磷化,。考慮到表調(diào)的穩(wěn)定性與實(shí)際 使用需求,，選擇酸洗表調(diào)劑,，其主要成分為草酸， 其原理為草酸與鋼絲基體反應(yīng)后形成了一層草酸鐵鹽膜,，其為后序磷化提供了大量極小的結(jié)晶 核,，提高成膜性,。其不僅可以縮短磷化時間和降 低磷化溫度，也可提高磷化膜附著力與減少磷化 反應(yīng)的成渣量［4］,。如圖3 所示,，相同時間下增加表調(diào)后磷化膜厚度明顯增加，磷化膜覆蓋更均勻,。草酸與鋼絲基體反應(yīng)機(jī)理：Fe+H2C2O4→H2↑+FeC2O4,。 2. 2. 3 磷化工藝 （a） 無表調(diào)的磷化膜表面形貌 
（b） 有表調(diào)的磷化膜表面形貌 圖3 磷化膜表面形貌 表2 表調(diào)工藝參數(shù)
磷化的基本原理一般認(rèn)為主要有四個步驟組成［5］：酸浸蝕金屬基體表面使 H+濃度降低→促進(jìn)劑加速金屬表面H+濃度降低→磷酸根的多級電離→金屬表面的磷酸鹽沉淀結(jié)晶形成磷化膜。相關(guān)反應(yīng)方程式如下：Fe-2e-→Fe2+ （3）2H++2e→2[H]→H2 （4）[氧化劑]+[H]→[還原產(chǎn)物]+H O （5） 及氧化型促進(jìn)劑含量可使得沉淀反應(yīng)向右推移,。優(yōu)化后的磷化工藝見表3,。 表3 磷化工藝參數(shù)
3 改進(jìn)效果 采用改進(jìn)后的工藝流程與參數(shù)，汽車用彈簧鋼絲 65SiCrV6 經(jīng)過在線酸洗磷化后,，觀察鋼絲表面,、夾縫中間酸洗干凈、無殘留氧化層,，磷化膜覆蓋均勻,。通過在線酸洗磷化，鋼絲表面均勻一致解決了夾縫接觸酸洗不凈問題,。 4 結(jié)語 汽車用高強(qiáng)度彈簧鋼65SiCrV6 的表面處理質(zhì)量對后續(xù)工序影響頗大,，通過對生產(chǎn)工藝流程 和工藝參數(shù)的改進(jìn)，解決了鋼絲表面質(zhì)量問題,。通過充分利用正火余熱,，采用環(huán)保型磷酸和使用 酸洗的草酸表調(diào)劑，通過在線酸洗磷化保證了鋼 絲表面磷化質(zhì)量與后期拉拔質(zhì)量,，解決了間歇式 酸洗存在的酸洗不凈問題,。 參考文獻(xiàn) ［1］ 郭志民.PC 鋼絲拉拔叫模及橫裂原因分析［J］. 金屬制品,，2000,，26（2）：17-19. ［2］ 李志深. 鋼絲生產(chǎn)工藝［M］. 湘潭：湘潭鋼鐵公司職工大學(xué).1992. ［3］ 侯福英. 超聲波清洗技術(shù)在鋼絲表面處理作業(yè)線 Fe2++[2氧化劑]→[還原產(chǎn)物]+Fe3+（6）上的應(yīng)用實(shí)踐［C］//全國金屬制品信息網(wǎng). 第22 屆年會暨2010 金屬制品行業(yè)技術(shù)信息交流會. 鄭州：H3PO4→H2PO4-+H+→HPO42-+2H+→PO42-+3H（+ 7） 全國金屬制品信息網(wǎng)，2010：155-158.Zn2++PO42-→Zn（3 PO4）2↓ （8） ［4］ 劉仁新. 磷化表調(diào)劑的實(shí)踐與理論探討［J］. 現(xiàn)代Fe2++Zn2++PO42-→Zn3Fe（PO4）2↓ （9）考慮到車間布局,、設(shè)備成本原因,，在線磷化 時間一般要短于間歇磷化時間；故在線磷化工藝與間歇磷化工藝一般要有所差異,，根據(jù)以上磷化機(jī)理可看出,，若欲提高磷化反應(yīng)速度、減少磷化時間,，可通過增加金屬離子濃度,、磷酸根濃度以涂料與涂裝，2010,，13（5）：44-48+53. ［5］ 李鑫慶,，歐陽貴,，王菊榮 . 金屬化學(xué)轉(zhuǎn)化膜實(shí)用手冊［M］. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2016.作者介紹 崔同泉,、張峰山：中鋼集團(tuán)鄭州金屬制品研究院股份有限公司高級工程師,；汪海靜：鄭州恒博環(huán)境 科技股份有限公司工程師。 （原載《金屬材料》雜志）
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