抛光表面质量对不锈钢制品耐蚀性能的影响

黄 佳 阎秋生 路家斌 刘炳耀 陈永锦

1.广东工业大学，广州，510006 2.新兴县万事泰不锈钢制品有限公司，云浮，527400

0 引言

不锈钢制品因其色泽光亮、具有良好的耐蚀性能以及易于清洗等优点而迅速成为人们日常生活用品，但是不锈钢制品在加工、运输以及使用过程(尤其在氯离子环境)中容易出现白斑、锈斑、蚀孔等腐蚀缺陷，造成品质下降，因此不锈钢制品的表观质量问题是一个研究热点。现有研究表明，金属材料的微观结构、表面加工状态对其耐蚀性能具有重要影响［1-3］，材料表面质量越好，其腐蚀电位正移，亚稳态或稳态孔蚀就变得困难，表面状态的改善会减少表面缺陷，能提高材料的耐蚀性能［4-6］。Burstein 等［7］认为，表面孔蚀活性点的“开放度”对亚稳态小孔形核和生长均有影响，并且发现表面越光滑、粗糙度越小，表面活性点越少，亚稳态孔的形核数目越小。

抛光是不锈钢制品加工的最后一道工序，不同的抛光工艺直接决定了不锈钢制品表面粗糙度及其状态，从而影响其耐蚀性能。为了优化不锈钢制品抛光工艺，控制加工成本，需要研究表面粗糙度对不锈钢制品耐蚀性能的影响。本文通过对不锈钢制品抛光工艺的分析，制备了不同表面粗糙度的304不锈钢试样，采用化学浸泡法和动电位极化曲线测量法研究了不锈钢表面加工质量对其腐蚀性能的影响。

1 试验方法

1.1 试样制作

不锈钢制品由不锈钢板材经塑性成形加工而成，选择不锈钢制品常用的304不锈钢材料制作试样，从不锈钢制品坯体上线切割出25mm×25mm×1.6mm和10mm×10mm×1.6mm两种规格试样(分别用于化学浸泡和动电位极化试验)。试样非工作面在焊接铜导线后用环氧树脂固封，分别露出6.25cm2、1cm2工作面积，参照不锈钢制品实际抛光加工工艺，用 100#、260#、600#、1000#砂纸单向打磨工作表面，得到不同的表面粗糙度，采用Mahr XT20粗糙度轮廓仪垂直于打磨方向测量其表面粗糙度，将每个试样6个不同位置表面粗糙度的平均值作为该试样的粗糙度。

1.2 化学浸泡试验

根据国家标准《不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法》［8］，化学浸泡试验的腐蚀介质采用质量分数为6%的FeCl3溶液，腐蚀温度为50℃恒温，连续浸泡24h。腐蚀结束后，清除样本上的腐蚀产物并洗净烘干，以用于后续的形貌观察和分析。用VHX600超景深数码显微系统和OLS4000激光共聚焦显微镜观察腐蚀前后的表面形貌，对腐蚀坑的大小、数目、深度及分布情况进行观察分析，用S－3400N(Ⅱ)扫描电镜观察腐蚀表面微观形貌以深入研究表面粗糙度对304不锈钢耐蚀性能的影响。

1.3 极化曲线测定

动电位极化测试采用Zahner IM6电化学综合测试仪及三电极体系进行，参比电极为饱和甘汞电极(SCE)，辅助电极为铂电极，研究电极为工作面积为1cm2的方形试样。腐蚀液为质量分数为3.5%的NaCl溶液，于试验前充氮除氧，测试温度为25℃。试样浸入腐蚀液10min后，从自然电位开始，以20mV/min的电位扫描速度进行阳极极化，直到出现稳定点蚀为止。

2 结果讨论

2.1 腐蚀前试样的表面形貌

图1 腐蚀前不同表面形貌样本的光学显微图片

表1 不同试样表面微观形貌参数 μm

经不同粒度金刚石砂纸打磨后试样的光学照片如图1所示，表面形貌参数见表1。从图1可以看出，100#砂纸打磨后的不锈钢表面最粗糙，沟壑深度、宽度均较大，表面粗糙度Ra=0.41μm，单峰平均间距为20.91μm(表1);1000#砂纸打磨的表面最光滑，表面粗糙度Ra、Rz和单峰平均间距S比100#分别降低了75%、75.7%、25.6%。因此，经不同粒度砂纸打磨后的304不锈钢表面的粗糙度不同，表面形貌特征相差很大。

2.2 腐蚀后试样表面的形貌特征分析

各试样经化学浸泡24h、去除腐蚀产物后的不锈钢表面激光共聚焦形貌如图2所示。100#、260#和600#砂纸打磨试样的表面产生了一些明显的宏观腐蚀孔洞(呈不规则椭圆形)，蚀孔面积在0.18～0.30mm2之间，但600#砂纸打磨试样表面的宏观蚀孔明显较前两者要少。经1000#砂纸打磨后的试样没有发现宏观腐蚀孔洞。同时，所有试样表面都出现了少量的较小尺寸微观点蚀孔，蚀孔面积在0.012～0.031mm2之间，分布较为分散，但1000#砂纸打磨后的试样4表面上的宏观点蚀孔较少，且其蚀孔面积、深度都相对较小。由此可见，表面粗糙度越小，蚀孔数量和面积都越小，说明在氯离子环境中的抗点蚀能力越强。

为了深入分析表面粗糙度与不锈钢耐腐蚀性能之间的关系，根据国家标准《金属和合金的腐蚀－点蚀评定方法》［9］测量了腐蚀后试样表面蚀孔的最大深度D、平均最大蚀孔面积和平均最大蚀孔深度 。用激光共聚焦显微镜，在试样面积范围内采用XYZ轮廓步进扫描方式，从每个试样表面随机测定20个蚀孔的深度和腐蚀面积，将深度的最大值作为最大蚀孔深度，将其中10个较大蚀孔的深度和腐蚀面积的平均值作为平均最大蚀孔深度与平均最大蚀孔面积。通过统计计算得到各不同粗糙度样本的最大蚀孔深度、平均最大蚀孔深度与平均最大蚀孔面积并绘制成曲线，如图3所示。由图3可见，表面粗糙度越大的试样，最大蚀孔深度、平均最大蚀孔深度与平均最大蚀孔面积都越大，即局部腐蚀程度越严重。表面粗糙度差异越大，平均最大蚀孔深度和平均最大蚀孔面积相差越明显，即腐蚀程度差异越显著。1000#砂纸打磨的试样4与600#砂纸打磨的试样3的蚀孔深度和蚀孔面积比260#砂纸打磨的试样2与100#砂纸打磨的试样1显著减小。试样4的表面粗糙度值是试样1的1/4，但试样4的平均最大蚀孔深度和平均最大蚀孔面积约是试样1的1/10。结果表明，不锈钢的耐蚀能力与其表面粗糙度大小相关，减小表面粗糙度是提高其耐蚀性的有效手段，表面粗糙度Ra在0.1μm附近时，有较好的耐腐蚀性能。

图2 不同表面粗糙度试样腐蚀24h后的表面激光共聚焦形貌图

图3 试样表面蚀孔深度、大小与表面粗糙度关系曲线图

为了更好地分析试样表面粗糙度对耐腐蚀性能的影响，利用不锈钢表面砂纸打磨的微沟槽的深度d和宽度w定义了不锈钢抛光表面开放度参数δ=w/d。将表面粗糙度测量中的微观不平度10点平均高度Rz和单峰平均间距S分别代表沟槽的平均深度d和宽度w来计算不锈钢抛光表面开放度参数。显然，不锈钢抛光表面开放度参数δ越大，表面微沟槽深度越小而宽度越大，微沟槽的张开角度越大，说明表面越平坦和光滑，不锈钢抛光表面开放度参数δ越小则表明微沟槽窄而深。根据表1中试样表面的测量数据，可以计算出试样1～4的不锈钢抛光表面开放度参数δ，依次为5.87、8.21、16.29、17.95，表面粗糙度越小，不锈钢抛光表面开放度参数δ越大，表面越趋于平坦。

图4 试样表面蚀孔深度、大小与不锈钢抛光表面开放度参数δ的关系曲线图

图4所示为蚀孔深度和面积与不锈钢抛光开放度参数δ的关系曲线。从图4可以发现，蚀孔的最大深度、平均最大深度和平均最大面积均与不锈钢抛光表面开放度参数δ近似成负线性关系，且蚀孔深度和大小都随不锈钢抛光表面开放度参数δ的增大而减小，不锈钢抛光表面开放度参数δ相差越大，蚀孔深度和大小也相差越大。通过对比对应试样的表面粗糙度差值和不锈钢抛光表面开放度参数值差值发现，表面粗糙度之间的差值较小，但不锈钢抛光表面开放度参数相差较大，如试样3和试样4表面粗糙度Ra的差值只有0.0208μm，但它们的不锈钢抛光表面开放度δ的差值为1.66，也就是说，不锈钢抛光表面开放度参数从数值上也放大了不同样本表面微观不平度的差异。这说明，不锈钢抛光表面开放度参数δ比表面粗糙度更能直观、简单地反映不锈钢表面微观形貌与耐蚀性能的关系。陈捷等［10］研究发现，金属腐蚀首先产生于表面微小轮廓谷处和裂纹处，继而逐渐向金属内部侵蚀，轮廓谷、峰越深与越陡峭的金属表面腐蚀越快，轮廓峰、谷形状比较圆滑的表面则不易腐蚀。

2.3 极化曲线测定

不同表面粗糙度试样在质量分数为3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线如图5所示。从图5可以看出:与100#砂纸打磨的试样1和260#砂纸打磨的试样2相比，600#砂纸打磨的试样3和1000#砂纸打磨的试样4的击穿电位Eb相对较高，而电流密度Jpass却相对较小，表明不锈钢表面粗糙度越小，其钝化膜的稳定性能越好，耐腐蚀性能越好。已有研究表明，当合金进入亚稳孔蚀和稳定孔蚀阶段，随表面粗糙度增大，亚稳态孔蚀电位和稳定孔蚀电位都近似以线性方式负移，钝化膜稳定性变差［11］。结合吸附理论与不锈钢抛光表面开放度参数δ可以对这种结果进行分析:Cl－1破坏钝化膜的根本原因是因为它具有很强的可被金属吸附的能力。过渡金属Fe、Ni、Cr等表面吸附 Cl－1比吸附 O2－更容易，因而 Cl－1被优先吸附，并从金属表面把氧原子排挤掉，而Cl－1和CrO2－4竞争吸附作用的结果导致金属钝态遭到局部破坏。不锈钢抛光表面开放度δ较小时，一方面，在尖峰和谷底处形成的钝化膜比平缓处钝化膜的厚度要小;另一方面，窄而深处的表面活性点较多，闭塞程度较大，溶液处于滞留状态，腐蚀过程中更容易降低局部溶液的pH值并使活性阴离子富集，从而导致钝化膜的稳定性变差，降低钝化膜的自我修复能力，这样就使得击穿电位负移，维持钝化状态所需的阳极电流密度加大。这也进一步说明表面粗糙度对不锈钢制品最终耐蚀性能具有决定性影响。

图5 不同表面粗糙度试样在3.5%Nacl溶液中的动电位极化曲线

3 结论

(1)随着表面粗糙度的增大，腐蚀环境中不锈钢表面平均最大蚀孔深度、平均最大蚀孔面积急剧增大;表面粗糙度差异越大，蚀孔深度和蚀孔面积差异越大。表面粗糙度Ra在0.2～0.4μm内变化时，表面粗糙度值增大1倍能导致平均最大蚀孔深度与平均最大蚀孔面积增大十倍乃至数十倍。表面粗糙度Ra约为0.1μm时，具有较为稳定的耐蚀性能。

(2)不锈钢抛光表面开放度参数与试件表面蚀孔深度和面积成近似负线性关系，采用不锈钢抛光表面开放度参数δ可以更直观、简单地描述不锈钢表面的耐腐蚀性能。δ越大，表面粗糙度越小，平均蚀孔深度和面积也越小，耐蚀性能越好。

(3)不同表面粗糙度试样在质量分数为3.5%Nacl溶液中的动电位极化曲线表明，表面粗糙度越小，不锈钢抛光表面开放度越大，击穿电位Eb相对越高，电流密度相对越小，钝化膜的稳定性越好，耐腐蚀性能越好。

［1］Aballe A，Bethencourt M，Botana F J，et al.Localized Alkaline Corrosion of Alloy AA5083 in Neutral 3.5%NaCl Solution［J］.Corrosion Science，2001，43(9):1657-1674.

［2］石继红，武保林，刘刚.退火对表面机械研磨处理纳米化316L不锈钢性能的影响［J］.材料热处理学报，2009(1):153-156.

［3］蔡一鸣，梁霄鹏，李慧中，等.热处理制度对7039铝合金抗腐蚀性能的影响［J］.中南大学学报(自然科学版)，2009，40(6):1540-1545.

［4］Hong T，Nagumo M.Effect of Surface Roughness on Early Stages of Pitting Corrosion of Type 301 Stainless Steel［J］.Corrosion，1997，39(9):1665-1672.

［5］Zuo Y，Wang H T，Xiong J P .The Aspect Ratio of Surface Grooves and Metastable Pitting of Stainless Steel［J］.Corrosion Science，2002，44(1):25-35.

［6］Sasaki K，Burstein G T.The Generation of Surface Roughness during Slurry Erosion－corrosion and Its Effect on the Pitting Potential［J］.Corrosion Science，1996，38(12):2111-2120.

［7］Burstein G T，Pistorius P C.Surface Roughness and the Metastable Pitting of Stainless Steel in Chloride Solutions［J］.Corrosion，1995，51(5):380-385.

［8］国家冶金工业局.GB/T 17897－1999不锈钢三氯化铁点腐蚀试验方法［S］.北京:中国标准出版社，1999.

［9］国家冶金工业局.GB/T 18590－2001金属和合金的腐蚀点蚀评定方法［S］.北京:中国标准出版社，2004.

［10］陈捷，毕林丽，姜莉.铸造表面粗糙度［M］.北京:机械工业出版社，2002.

［11］王海涛，左禹，熊金平.表面粗糙度对316L不锈钢亚稳态孔蚀行为的影响［J］.中国腐蚀与防护学报，2002，22(3):158-161.