盐酸浓度对热轧不锈钢酸洗板表面质量的影响

　　摘要：借助电化学方法、激光共聚焦显微镜和SEM等分析手段，研究了盐酸浓度对热轧铁素体不锈钢表面质量的影响作用。结果表明：在本实验条件下，随着盐酸浓度的增加，酸洗后不锈钢表面平整程度增加，但盐酸浓度过高存在较严重的晶间腐蚀现象。虽然酸洗后不锈钢的阴阳极极化曲线形状在弱极化区并没有发生太大的变化，但随着盐酸浓度的增加，不锈钢在溶液中的点蚀电位升高，并且容抗弧半径增大，表面耐蚀性增强。

　　关键词：铁素体不锈钢；盐酸浓度；酸洗；极化曲线；阻抗图谱

　　随着科技的进步，人们生活水平的提高，对不锈钢产品的质量也提出了较高的要求。不锈钢产品的质量又与热轧酸洗后的表面质量有很大的关系。不锈钢表面质量的提高，主要受热处理制度和酸洗工艺的影响。目前国内外不锈钢酸洗普遍采用混酸(HNO3－HF)酸洗工艺，不仅产生NOx气体和亚硝酸盐废液，污染环境，而且易产生晶间腐蚀和表面成分不均匀等现象。而盐酸基酸洗工艺具有酸洗速度快和无污染等特点，被广泛应用于普碳钢酸洗领域。因氯离子易导致不锈钢表面产生点蚀，从而使盐酸基酸洗工艺在不锈钢酸洗领域的应用受到一定限制。本文以430铁素体不锈钢为对象，研究铁素体不锈钢在盐酸基溶液中的酸洗过程，揭示盐酸浓度的变化对于热轧铁素体不锈钢板表面质量的影响机理，并利用电化学工作站、激光共聚焦显微镜和扫描电镜等方法对表面质量进行全面评价，为不锈钢盐酸酸洗工艺的研究开发提供理论依据。

　　1 实验材料和实验方法

　　1.1 实验原料

　　不锈钢样品以国内某钢铁公司生产的热轧退火喷丸后的430铁素体不锈钢为原料，主要化学成分(质量分数，%)为C 0.12，Si 0.75，Mn 1.00，P 0.04，S 0.03，Ni 0.60，Cr 16.00，Mo 2.00。实验过程中使用的溶液均为蒸馏水与化学纯试剂配制而成。

　　1.2 实验过程

　　1)试样的加工。将退火喷丸后的430铁素体不锈钢用线切割加工成10mm×10mm的方块试样：一部分试样进行扫描电镜分析，观察不锈钢表面氧化层形貌以及成分分布情况；另一部分试样进行酸洗实验，酸洗后观察铁素体不锈钢表面形貌，并进行电化学实验以及表面粗糙度测定。

　　2)酸洗实验过程。将切割后的试样用无水乙醇反复清洗数次，吹干，在盐酸质量分数为10%，15%和20%，酸洗温度为50℃条件下进行酸洗，酸洗时间50s，酸洗后用蒸馏水和无水乙醇清洗数次，吹干保存于干燥皿中，备用(进行扫描电镜分析、光洁度和电化学分析)。

　　3)电化学测试过程。将酸洗后试样中的一个面作为工作面，另一面为非工作面，并用铜导线焊接，所有非工作面用环氧树脂密封于Φ25mm，长15mm的PVC管中，工作面积1cm2；设氯化钠溶液质量分数为3.5%，按照国标进行电化学阻抗图谱和极化曲线测定。

　　1.3 分析方法

　　1)耐蚀性分析。实验仪器采用瑞士万通公司Autolab电化学分析仪，电化学测试过程在电解池中进行，采用三电极体系，即饱和甘汞电极作为参比电极，辅助电极为铂电极，工作电极为430铁素体不锈钢基体试样，工作电极和参比电极之间用盐桥相连。

　　氯化钠质量分数为3.5%溶液，按照国标GB/T17899—1999进行配制，与试样的面积之比不小于200mL/cm2，将测试溶液加入到电化学测试系统中，加热并保持国标中规定的30℃进行测试。

　　动电位极化曲线测定。将不锈钢基体试样完全浸没在溶液中，待开路电位稳定后，在自腐蚀电位下进行测量，从阴极-0.9V开始正向扫描，扫描的电位范围为-0.9V扫描到+2V，扫描速度为20mV·s-1。利用电化学工作站自带NOVA分析软件对所测极化曲线进行图像拟合，并对所得参数进行分析。

　　电化学阻抗谱(EIS)测定。将不锈钢基体试样完全浸没在腐蚀溶液中，待开路电位稳定后，在振幅为5mV正弦波，频率范围为10-2～105Hz条件下，对数扫频共测定60个频率点。利用电化学工作站自带NOVA分析软件对阻抗图谱进行等效电路的拟合，并对相应参数进行分析。

　　2)扫描电镜测试。采用德国卡尔蔡司公司生产的EVO-18型钨灯丝扫描电子显微镜，观察不锈钢表面形貌：点蚀、晶间腐蚀等，分析不同盐酸基溶液成分条件下，不锈钢表面的微观形貌。

　　3)微观表面光洁度测试。采用日本奥林巴斯激光共聚焦显微镜，测试微观条件下不锈钢表面光洁度的变化。

　　2 实验结果与讨论

　　2.1 热轧喷丸后铁素体不锈钢表面微观结构

　　热轧喷丸处理后430铁素体不锈钢断面SEM-EDX图像。从中可以看出，热轧喷丸处理后430铁素体不锈钢表面氧化层主要为富铬相，厚度为2μm左右，同时在氧化层与基体之间存在贫铬区域。

　　2.2 SEM分析

　　不同盐酸质量分数条件下430铁素体不锈钢酸洗后的表面微观形貌图片。从中可以看出，随着盐酸质量分数的增加，铁素体不锈钢表面无残余氧化层存在，且不锈钢表面平整程度增大，但当溶液中盐酸质量分数过高时，不锈钢表面存在晶间腐蚀现象。因此，本文认为适当增加盐酸质量分数，有利于不锈钢表面平整程度的提高。

　　这是因为在盐酸基溶液中，盐酸作为溶液中的重要组分，提供了H+和Cl-。其中，H+可以起到溶解氧化层和不锈钢基体的作用。在不锈钢盐酸基酸洗过程中，H+作为去极化剂，通过析氢反应参与电极反应，析氢反应产生的H2促进了表面氧化层的剥离。而Cl-具有离子半径小、穿透能力强和在金属表面吸附能力强等特点。所以，随着盐酸浓度的增加，溶液中Cl-浓度升高，使盐酸基溶液中的导电性增强，造成溶液电解质的电阻降低，使Cl-更容易接触到金属表面，加快金属表面的溶解。因此，在盐酸基溶液中大量Cl-的存在，会在金属表面形成氯化物盐层，替代具有保护性能钝化膜，从而导致不锈钢在盐酸基溶液中具有较高的溶解速率。正是因为不锈钢表面在盐酸基溶液中的快速溶解，使其酸洗速度较快，从而造成表面氧化层不是被溶解，而是从不锈钢表面剥离。

　　2.3 电化学分析

　　在不同盐酸浓度条件下进行酸洗，酸洗后不锈钢表面在3.5%氯化钠溶液中的自腐蚀电位相差在±50mV之间，虽然变化幅度不明显，但是随着盐酸浓度的升高，430铁素体不锈钢表面的点蚀击穿电位更高，说明不锈钢的耐腐蚀能力随着酸洗溶液中盐酸浓度的升高而增强。

　　酸洗后不锈钢试样的阻抗图谱。从中可以看出，不同盐酸浓度条件下，430铁素体不锈钢在3.5%氯化钠溶液中的阻抗图谱在高频段均为一容抗弧，且随着盐酸浓度的升高，其容抗弧半径有增大的趋势，说明酸洗后不锈钢腐蚀倾向减小。

　　2.4 表面微观粗糙度分析

　　不同质量分数条件下酸洗后430铁素体不锈钢表面微观粗糙度结果为：w(盐酸)=10%时，4.0μm；w(盐酸)=15%时，3.3μm；w(盐酸)=20%时，3.75μm。可以看出，盐酸质量分数为15%时的不锈钢表面粗糙度最小，盐酸质量分数为20%时次之。由此可见，在本实验条件下，适当增加盐酸浓度，不仅可以提高盐酸酸洗后不锈钢表面的平整度和光洁度，而且还可以提高其耐蚀性。

　　3 结论

　　1)在本实验条件下，盐酸基酸洗工艺可以快速去除铁素体不锈钢的表面氧化层，并且随着盐酸浓度的升高，表面平整程度增大，但盐酸质量分数过高也会造成酸洗后的铁素体不锈钢表面产生晶间腐蚀现象。

　　2)在本实验条件下，随着盐酸质量分数的升高，不锈钢在3.5%氯化钠溶液中的点蚀击穿电位增大，并且容抗弧半径呈增加的趋势。

　　3)在本实验条件下，适当增加溶液中盐酸质量分数，不仅可以提高不锈钢表面的光洁度，而且还可以增加其耐蚀性。

　　文/李晓亮，史培阳，岳莹莹，姜茂发