重生之五岁腹黑萝莉:不锈钢的加工工艺

最新的车削刀片材质和断屑槽对于不锈钢车削提供更高的能力
在工业上广泛应用的不锈钢对刀具行业提出了巨大的挑战，在研发新的车削刀片材质和断屑槽形一定要考虑它们的可加工性。一组在化学、食品、造纸和纸浆业在腐蚀环境下提供很长使用寿命相当易切的不锈钢材料正越来越多地使用。这些材料通常是提供很好耐蚀性的铬基铁或碳钢。其它组别的含各种不同比重的铬和镍的不锈钢材料用在需要很高抗拉强度还要耐腐蚀的航空工业。它们的范围从中等加工难度的低镍合金到很难加工的高温合金都有。

加工挑战

虽然不锈钢的加工性上下很大，它们都很粘，回对切削刀具产生粘屑、积屑瘤和由此引起的涂层粒子甚至是涂层和基体结合部的粒子‘拔出’等潜在的问题。但是，主要切削刀具公司针对今天的流水线已经在设计最新的核心硬质合金材质和断屑槽考虑这些失效模式，并推而广之提供车削刀片。现在用于批量生产易切到中等难度加工范围的不锈钢的经济性好的解决方案容易得到。

根据韧性重组硬质合金材质

山高刀具是针对在宽范围加工条件和应用（包括接近最终形状和不锈钢加工）中提高性能来设计新的核心车刀材质的系列齐全的切削刀具供应商之一。在硬质合金方面，山高公司彻底重组它各自针对通用加工（TP200）和重粗加工（TP300）核心车削材质，使其提供基体和底层涂层之间更好的粘结性和韧性更好的切削刃。两种材质都在有富钴区的基体上涂由碳氮化钛（TiCN）、氧化铝（Al2O3）和氮化钛（TiN）组成的复合涂层。

根据Carboloy的固定产品经理Bob Goulding，重组后的材质提供针对提高加工不锈钢材料的重要特性。它们包含能有效抵抗拔出的韧性很好的涂层和能更好抗粘屑及积屑瘤的光滑的很硬的顶面涂层。

Goulding说，通过涂层沉积工艺--中温化学气相沉积（涂层在较低的温度下进行）进步得到韧性好和光滑的涂层，导致寿命很长。他解释道，‘中温工艺保留较厚的CVD涂层全部的硬度和耐磨性，还给你一个韧性更好更光滑的使裂纹最小化的涂层。’

虽然通用和重粗加工的材质两者都含有韧性好的有富钴区的基体，基体韧性和涂层耐磨性的比例是有区别的。根据Goulding，TP200材质的涂层在较高的切削速度下提供优异的耐磨性，而TP300材质基体的韧性更好，使其在较低速度加工高强度不锈钢时能力提高。‘我们的重粗加工材质的基体韧性特别好，结合厚MTCVD涂层，使得你的切削刃硬而且韧性很好，’Goulding说。‘你得到具有杰出抗切削刃沟槽磨损的有效的耐磨性。’基于这些特性，Goulding推荐通用材质TP200用于易切铁素体不锈钢的高速切削，而TP300材质用于中等加工难度的高强度不锈合金的低速应用。

断屑槽设计的解决方案

根据Goulding，用于不锈钢加工的正确的断屑槽形将有模型，山高公司重组后的核心‘M3’槽形用于轻到中载切削。都能用于钢件精加工的这种槽形和重组后的核心‘MF2’槽形设计成变化的负倒棱宽度和角度来提供在包括小切深高进给的很宽应用范围里有效断屑所需的切削刃强度。增加的切削刃强度在高进给下有助于在不锈钢和接近最终形状应用时控制切深处的沟槽磨损。

遍及它们的应用范围，新的槽形设计还提供更好的刀具寿命。一个起作用的因素是正的切入角，它促进更自由的切削和降低切屑温度。另一个是切屑控制角度，它在刀尖上策略地放置的‘隆起部分’代替一个硬的断屑台，来控制断屑所需的切屑卷曲。直压的隆起有助于把切屑和刀片的接触限制到仅仅两个点：切入角和隆起本身（切出角）。结果是，传递到刀片上的热量和切削力减少，从而提高刀具寿命。两个接触点间的也相当宽，所以任何由切屑和硬质合金化学反应引起的前刀面扩散磨损将不一起长大而引起刀片早期失效。

Goulding指出这些设计的几种特性能明确地提高用轻到中载M3槽形加工不锈钢的性能。例如，切屑接触点的减少帮助减少粘屑，而且正的切入角降低材料的焊接应力或在断屑槽里的积屑瘤，防止可能的涂层和硬质合金材料的‘拔出’。另外，正的切入角对减轻工件表面加工硬化有帮助，特别是对多个回程的不锈钢加工。这种加工硬化的后果之一是切深处的沟槽磨损，但是在M3断屑槽时由于从刀尖开始的切削刃强度高故影响最小。

高镍不锈钢加工方案

虽然目前的核心车削材质和断屑槽对易切到中等加工难度范围的不锈钢加工提供的很好性能表现，但关于极难加工的不锈钢材料还没有成功的案例。‘随着不锈钢里镍/铬含量的增加，通常你在很低的速度下加工，’Goulding说。‘你需要强度很高的切削刃来抵抗切削这种材料需要的极大的压力。如果切削刃太锋利刀片会碎裂。’

目前条件下满足这些需要，山高提供一种韧性很好的TP40切削材质、切削刃强度很高的‘MR7’断屑槽以及韧性很好的‘R7’单面槽形。同时，公司正在研究新的在高合金不锈钢应用里抵抗破裂提供所需的沿切削刃极好的韧性和良好耐磨性的材质/断屑槽组合。 ‘我们正在探索改装我们的TP200和TP300材质加上另一种断屑槽来满足更宽范围的不锈钢材料加工的可能性，’Goulding说。
浅谈大型不锈钢冻干机化学抛光
高 峰 张明宗 郭玉梅 管从胜/葛方根 孙永强 胡兆奎 孙德生
摘 要 给出了不锈钢在室温条件下化学抛光液配方和抛光工艺条件。介绍了抛光液中各种组成的作用。详细讨论了不锈钢材料品种、质量和加工工艺以及抛光液注排和搅拌方法等对化学抛光质量的影响。分析了化学抛光处理过程中进行挂件实验的作用。
关键词 不锈钢，化学抛光，抛光质量
1 引 言
金属脱脂、钝化、磷化和化学镀等表面处理过程，通常根据处理溶液的温度高低分为三类〔1〕：1)高温为85～100℃；2)中温为50～70℃；3)低温或室温为20～40℃。
不锈钢中温(65～80℃)化学抛光〔2〕具有工艺简单、操作方便、抛光速度快和抛光效果好等特点而广泛应用于小型不锈钢制件的抛光处理，室温化学抛光工艺特别适用于大型不锈钢设备的抛光处理。作者在理论研究的基础上，采用15～40℃化学抛光工艺对烟台冰轮集团公司生产的大型不锈钢冻干机进行抛光处理，取得了较为理想的抛光效果。
2 实验方法
2.1 化学处理液
除油液
Na2CO3 (工业级) 20 g/L
NaOH (工业级) 10 g/L
Na3PO4 (工业级) 20 g/L
OP-10 (工业级) 5 g/L
室温 24 h
除油方式： 浸泡加空气搅拌
化学抛光液
HCl (工业级，36.5%) 120～180 mL/L
HNO3 (工业级， 65%) 15～35 mL/L
H3PO4 (工业级， 85%) 25～50 mL/L
水溶性聚合物 20 g/L
复合添加剂 4 g/L
θ 24～28℃
t 30～36 h
搅拌方式 水泵自循环

中和液
Na2CO3 (工业级) 5 g/L
θ 室温
t 12 h
中和方式 浸泡加空气搅拌
2.2 化学抛光工艺
冻干机→手工预处理→化学去油→水洗→保护密封面(可剥型防腐涂料)→化学抛光→水洗→中和→水洗→干燥→质检
3 实验结果和讨论
在室温HCl-H3PO4-HNO3三酸抛光体系中，磷酸是中等强度的无机酸，主要在不锈钢表面形成磷酸盐转化膜抑制被抛光表面的过度溶解，盐酸是强酸起溶解作用，而硝酸起溶解和氧化(钝化)两种作用。水溶性聚合物为纤维素醚和聚乙二醇的混合物，起抑制酸雾和调节粘度的作用。复合添加剂包括若丁、苯胺等有机缓蚀剂，氯烷基吡啶和碱金属卤化物等光亮剂。
本文主要讨论大型不锈钢冻干机(一次处理面积达150 m2)室温化学抛光处理过程中存在的问题及解决方法。
3.1 不锈钢材料对抛光质量的影响
抛光中发现?45 mm×2.5 mm不锈钢管产生严重的孔蚀现象，有部分管出现开裂穿透。板材产生局部腐蚀，有个别的板材严重腐蚀。
产生上述腐蚀现象的主要原因是不锈钢毛坯存在杂质缺陷，以致轧制后表面产生缺陷、杂质含量过高或不耐腐蚀的元素C、P、Si、S等在晶界处偏析，局部产生薄弱环节。在室温抛光过程中，这些脆弱的部分形成活化的小阳极，而周围区域则为大阴极，在电化学作用下腐蚀成针孔或小孔。这些腐蚀反过来又产生了应力集中，使腐蚀向纵深发展，最后穿透金属。另外裂纹处在抛光过程中也极易形成阳极活化区，沿缝隙腐蚀加重。
从抛光机理看，在不锈钢抛光过程中存在着金属的表面溶解腐蚀和钝化两种过程的竞争，在中低温(65～80℃)抛光过程中，由于抛光时间短，金属表面溶解腐蚀不明显，一般观察不到孔蚀现象。但是在15～40℃抛光过程中，由于抛光时间长(一般大于12 h)，金属表面溶解占了主导地位。在HCl-H3PO4-HNO3三酸抛光体系中，氯离子含量高对不锈钢极易腐蚀，特别是在室温下材质存在杂质缺陷时尤为突出。因此，在室温抛光过程中，不仅要严格控制抛光液配方，而且对不锈钢材料的质量应严格把关。
虽然所采用的不锈钢板材为1 Cr18Ni9Ti奥氏体不锈钢，但是个别的板材磁性过高，恰好这些板材产生均匀溶解，表面发灰，这说明材质不合格。对于板材上出现的局部腐蚀区经机械抛光后发现表面结构不均匀，有的轻碰即脱落，这是毛坯缺陷所致。对于?45 mm×2.5 mm不锈钢钢管中孔蚀严重的部位经抛光后发现有杂质缺陷。对换热器排管进行试压时发现漏气，但找不到原因，经化学抛光后发现有裂纹，抛光2小时就开始漏液，这不可能是腐蚀穿透现象，而是轧制过程中的裂纹缺陷。
文献〔2〕和本文中介绍的HC-HNO3-H3PO4三酸抛光体系只适用于奥氏体不锈钢，但是由于不同厂家的同一类产品可能存在很大差别，有的可能达不到质量要求。因此，应采用同一厂家的同一批号的合格产品，考察技术应包括晶相和组成，特别是杂质的含量，对于压力容器用材料还应按压力容器的技术要求进行探伤。另外对每一种材料应进行抛光实验，最后根据综合实验的具体情况确定抛光液配方。
3.2 不锈钢的加工工艺对抛光质量的影响
抛光过程中发现焊缝和热处理部位产生腐蚀现象，特别是等离子切割面产生严重腐蚀，而且随着时间的延长而加剧。加热弯管时被加热部位也产生严重腐蚀现象。
不锈钢为合金材料，存在不同的晶相，温度变化时晶相发生相应的变化。因此在不锈钢的加工过程(如机械加工、铸造、焊接和切割等)中，一是受温度的影响局部极易析出新相(局部相变)，晶界间物质的物理化学状态与晶粒本身不同，致使晶界处的腐蚀速度明显大于晶粒本身(晶间腐蚀)。这些新相的析出必然导致某些元素的贫乏区形成，不管是析出的新相耐腐蚀，还是不耐腐蚀都将导致腐蚀速度的不均匀性——点蚀或孔蚀等。二是受加工温度的影响极易产生内应力，大量氯离子使应力腐蚀加重。在等离子切割过程中，局部温度过高引起奥氏体不锈钢晶粒粗大，甚至产生局部熔化，内应力过大，应力腐蚀尤为明显。
在室温抛光过程中，虽然可以通过调整抛光液配方减轻腐蚀现象，但是无法完全避免应力腐蚀和晶间腐蚀等。因此，要想控制晶间腐蚀和应力腐蚀，必须从不锈钢设备的加工工艺入手，严格控制工艺参数，包括焊接工艺参数、切割方法、热处理温度等，避免析晶和内应力集中。
3.3 搅拌方式对抛光质量的影响
在抛光过程中，采用水泵自身循环抛光液，发现有死角，抛光面产生花斑现象。大型不锈钢设备往往被抛光面比较集中，如热交换器排管等，局部被抛光面S(dm2)与抛光液体积V(dm3)比过大，温度变化过快，而且抛光过程中，三种酸的消耗过快，只靠抛光液自身的浓度梯度扩散是不够的，为了保持被抛光面附近抛光液浓度均匀一致，必须采用合适的搅拌方式，通常有强制对流和机械搅拌等。对于结构比较简单的圆桶型设备，可采用简单的机械搅拌方式，而对于特殊结构的设备应配备结构相似的搅拌或循环方式。
3.4 抛光液配置及注入方式对抛光质量的影响
若采用一次性抛光液，三种酸的浓度可适当降低。首先将三种酸的混合溶液注入被抛光设备内，使被抛光面与抛光液接触2～3 h，表面腐蚀5～10 μm后，再通过循环方式将配置好的添加剂混合溶液注入，混合均匀后继续抛光，可获得理想的抛光效果。为了避免上下抛光面与抛光液的接触时间相差太长，应采用适当的注入方式，一般控制上下抛光面与抛光液的接触时间差在1 h之内。另外，抛光液排出时应连续进行，否则在停留部位将产生很难清除的痕迹。
3.5 试件对抛光质量的影响
在大型不锈钢设备的室温抛光过程中，抛光质量是通过悬挂样件的质量控制的。在大型设备中，难免材料不均匀和抛光液不均匀，在抛光过程中应对设备中所用的各种材料进行相应的挂件实验，并定时观察挂件的抛光效果。为了使挂件具有代表性，不仅将挂件合理分布(保证上、中、下三个部位有挂件)，而且挂件应与设备本身具有相同的加工工艺。
4 结 论
1)三酸抛光体系适用于各种奥氏体不锈钢材料的抛光处理，材料的性能和质量对抛光质量有很大影响；
2)不锈钢设备的加工工艺对抛光质量有明显影响；
3)适当的搅拌方式和抛光液注入方式对抛光质量是有益的；
4)抛光过程中应进行相应的挂件实验。
作者单位：山东工业大学 济南 250061/烟台冰轮集团公司 烟台 264000
摘自《电镀与精饰》1999年 第21卷 第4期