CN114318196A

CN114318196A - 提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀性能的方法

Info

Publication number: CN114318196A
Application number: CN202111613613.9A
Authority: CN
Inventors: 李丘林; 孙永安; 方杰; 宋国林; 王靓
Original assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Current assignee: Shenzhen International Graduate School of Tsinghua University
Priority date: 2021-12-27
Filing date: 2021-12-27
Publication date: 2022-04-12

Abstract

本发明公开了提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀性能的方法。该方法包括以下声电耦合的步骤：对镍铝青铜工件施加脉冲电流，同时对镍铝青铜工件进行超声滚压处理。根据本申请实施例的方法，至少具有如下有益效果：高能电脉冲通过其电致塑性效应可以提高材料的塑性形变能力，而超声滚压则能够在细化表层晶粒的同时提高材料的表面质量，两者结合应用于钢材可以获得更好的表面强化层，但对于镍铝青铜这种具有多种复杂强化相组成的材料而言研究较少，而申请人意外发现通过这种组合的表面处理方式可以有效改善耐空化腐蚀性能。

Description

提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀性能的方法

技术领域

本申请涉及空化腐蚀技术领域，尤其是涉及提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀性能的方法。

背景技术

我国90％的进出口贸易由大型船舶承担，船舶在远洋航行中所面临的是极其恶劣的海洋腐蚀环境，这就要求制造船舶的金属材料必须具有优异的耐海水腐蚀性和力学性能。海水的腐蚀过程中一般包括应力腐蚀、疲劳腐蚀、空化腐蚀等多种不同类型的腐蚀行为。对于船舶螺旋桨、水泵等水下部件而言，空化腐蚀是其面临的主要问题。螺旋桨、水泵等部件在工作时，附近海水发生搅动，内部压力的起伏引起液体蒸汽，而溶于海水中的气体则在海水中以及海水与这些部件的固液交界面上形成空泡，并不断生长和溃灭，空泡在其空化过程中会对这些金属部件的表面造成破坏，称为空化腐蚀。相比于应力腐蚀，空化腐蚀处于流体动力学系统中，因而过程也更加复杂。国内外研究者虽然对金属材料的空化腐蚀行为做了大量的研究，但完整的机理尚无定论，主流的学说包括冲击波破坏机制和微射流破坏机制。

表面状态是空化腐蚀的重要影响因素之一，对于金属材料的空化腐蚀行为而言，表面状态不仅会影响空化程度，而且还会影响空化腐蚀破坏过程，因而调节其表面状态是一种重要的手段。一般认为，粗糙表面会促进空化腐蚀的发生，因为粗糙表面含有凹槽、凸沿和坡底等微小结构，含有的空化气核较多，致使空化程度增大。对45#钢试样通过不同加工方法得到的不同表面粗糙度的空化腐蚀实验结果也表明，粗糙表面的空化腐蚀程度比光滑表面的严重。然而，根据微射流破坏机制的理论，一定程度的规则表面的起伏能够较好地减缓空化微射流对材料的作用，使其具有较好的耐空化腐蚀能力。

除此之外，材料的化学成分、力学性能、外界环境条件也是影响空化腐蚀的重要因素。但目前的研究结果显示，这些因素对金属材料空化腐蚀行为的影响并没有统一规律。例如，Fe-12Cr-0.4C合金中添加Ni时，耐空化腐蚀性能随Ni含量增加而降低；但添加Mn时，耐空化腐蚀性能随Mn含量增加而升高。又比如，硬度更高的Cr-Ni-Co合金的耐空化腐蚀性能比硬度较低的Cr-Ni-Mo合金要好；但低硬度的HSn70-1锡黄铜的耐空化腐蚀性能又明显高于高硬度的QA19-4铝合金。

镍铝青铜(NAB)是一种典型的多相材料，内部析出相较多，组织结构复杂。NAB的典型微观组织包括基体α相、高温非平衡冷却留下的残余马氏体β相(β′相)和各种不同形貌及成分的κ相(κⅠ、κⅡ、κⅢ、κⅣ)。其中，α相和β′相的组成相似，为富铜固溶体；кⅠ和кⅡ呈球状或花环状，主要成分是Fe₃Al；层状кⅢ形成于α和β′的边界，以NiAl为基础；在α相内析出кⅣ是富铁的相。这种复杂的相组成一方面给NAB带来了较高的抗拉强度和疲劳腐蚀强度，从而能够广泛应用在船舶及其海洋工程中。但另一方面，也为解释NAB的空化腐蚀机制和如何能够进一步提高NAB的耐空化腐蚀性能提出了更高的要求。因此，有必要提供一种能够有效提高镍铝青铜的耐空化腐蚀效果的方法。

发明内容

本申请旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本申请提出一种有效提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀性能的方法。

本申请的第一方面，提供一种能够提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀性能的方法，该方法包括以下声电耦合的步骤：对镍铝青铜工件施加脉冲电流，同时对镍铝青铜工件进行超声滚压处理。

根据本申请实施例的方法，至少具有如下有益效果：

高能电脉冲通过其电致塑性效应可以提高材料的塑性形变能力，而超声滚压则能够在细化表层晶粒的同时提高材料的表面质量，两者结合应用于钢材可以获得更好的表面强化层，但对于镍铝青铜这种具有多种复杂强化相组成的材料而言研究较少，而申请人意外发现通过这种组合的表面处理方式可以有效改善工件的耐空化腐蚀性能，其中的原理可能在于这种处理方式降低了工件的粗糙度、改善了表面预置压应力状态、提高了表面硬度。

在本申请的一些实施方式中，包括以下步骤：将镍铝青铜工件装夹到支撑装置上，对镍铝青铜工件施加脉冲电流，同时通过超声滚压冲击头对镍铝青铜工件进行超声滚压处理。可以理解的是，为了安全考虑，超声滚压冲击头应与支撑装置所在的车床绝缘。

在本申请的一些实施方式中，脉冲电流的参数为：频率200～10000Hz，脉宽40～100μs，均方根电流10～100A/mm²，峰值电流100～1000A/mm²。

在本申请的一些实施方式中，均方根电流20～50A/mm²，峰值电流200～500A/mm²。

在本申请的一些实施方式中，均方根电流30～40A/mm²，峰值电流300～400A/mm²。

在本申请的一些实施方式中，均方根电流约37.3A/mm²，峰值电流约342.4A/mm²。

在本申请的一些实施方式中，超声滚压处理的参数为：频率20～40kHz，振幅3～20μm。

在本申请的一些实施方式中，超声滚压处理所用的超声滚压冲击头的直径为10～50mm，硬度为80HRA以上，粗糙度为0.2μm以下。

在本申请的一些实施方式中，超声滚压处理采用润滑油和煤油的混合液进行润滑和冷却。

在本申请的一些实施方式中，润滑油和煤油的体积比约为4：1。

在本申请的一些实施方式中，在声电耦合处理前还包括车削预处理以降低表面粗糙度。

在本申请的一些实施方式中，车削预处理的参数为：转速为500～1000转/分钟，进给0.05～0.5mm/转，吃刀量0.05～0.5mm。

本申请的第二方面，提供一种镍铝青铜制品，该镍铝青铜制品采用前述的任一种方法处理得到。

本申请的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。

附图说明

图1是本申请的一种实施例的处理装置的结构示意图。

附图标记：支撑装置100、镍铝青铜工件110、超声滚压装置120、超声滚压头121、脉冲电源130。

具体实施方式

以下将结合实施例对本申请的构思及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本申请的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本申请的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本申请保护的范围。

下面详细描述本申请的实施例，描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。

在本申请的描述中，若干的含义是一个以上，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。约的含义可以理解是在点值的±20％、±15％、±10％、±8％、±5％、±3％、±2％、±1％、±0.5％、±0.2％、±0.1％的范围内上下浮动。

本申请的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

本实施例提供一种提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀性能的方法，该方法包括以下声电耦合的处理步骤：对镍铝青铜工件施加脉冲电流，同时对镍铝青铜工件进行超声滚压处理。

在其中一些具体的实施方式中，参考图1，该方法包括以下步骤：将待处理的镍铝青铜工件110装夹到支撑装置100上，对镍铝青铜工件110施加脉冲电流，同时通过超声滚压装置120对镍铝青铜工件110进行超声滚压处理。在其中一些优选的方式中，通过限定在超声滚压装置120内的超声滚压冲击头121进行超声滚压处理。超声滚压处理可以是使得超声滚压冲击头121沿垂直于超声滚压装置120与镍铝青铜工件110的接触面的法线方向振动，优选以一定的频率和振幅，可以理解的是，超声滚压装置120在超声前先以一定的压力压紧在镍铝青铜工件110的表面。在其中一些实施方式中，还包括移动超声滚压装置120，使得超声滚压冲击头121与镍铝青铜工件110的接触面逐渐移动，从而完整对镍铝青铜工件110的整个表面的加工处理。在其中一些优选的实施方式中，脉冲电源130的正负极分别连接于支撑装置100和超声滚压装置120，利用两者来对镍铝青铜工件110的表面施放脉冲电流。

在其中一些具体的实施方式中，还包括启动支撑装置100，带动装夹在其上的镍铝青铜工件110以一定速度ω旋转。

在其中一些具体的实施方式中，还包括移动超声滚压装置120，使超声滚压冲击头121离开镍铝青铜工件110的表面，关闭支撑装置100、超声滚压装置120和脉冲电源130，从支撑装置100上取下加工好的镍铝青铜工件110。

在其中一些具体的实施方式中，脉冲电流的参数为：频率200～10000Hz，脉宽40～100μs，均方根电流10～100A/mm²，峰值电流100～1000A/mm²。其中，均方根电流优选为20～50A/mm²，峰值电流优选为200～500A/mm²；进一步均方根电流30～40A/mm²，峰值电流300～400A/mm²；更进一步均方根电流约37.3A/mm²，峰值电流约342.4A/mm²。

在其中一些具体的实施方式中，超声滚压处理的参数为：频率20～40kHz，振幅3～20μm。在其中一些具体的实施方式中，超声滚压处理所用的超声滚压冲击头121的直径d为10～50mm，硬度为80HRA以上，粗糙度为0.2μm以下。在其中一些具体的实施方式中，超声滚压处理采用润滑油和煤油的混合液进行润滑和冷却，优选的，润滑油和煤油的体积比约为4：1。

在其中一些具体的实施方式中，在声电耦合处理前还包括车削预处理以降低表面粗糙度，以此获得平整的表面。在其中一些具体的实施方式中，车削预处理的参数为：转速为500～1000转/分钟，进给0.05～0.5mm/转，吃刀量0.05～0.5mm。

以下结合具体实施例对本申请进行进一步说明。

实施例1～4

本实施例提供一种提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀的方法，参考图1，采用现有车床改装而成的，配备脉冲电源130和具有超声滚压冲击头121的超声滚压装置120所组成的实验平台上进行，包括以下步骤：

(1)以水和乳化油作为车削液，预先对镍铝青铜工件110进行精车削降低表面粗糙度以获得平整的表面，车削工艺是转速800转/分钟，进给0.1mm/转，吃刀量0.1mm。

(2)对预先车削好的镍铝青铜工件进行电脉冲与超声滚压耦合处理。其中，超声滚压频率为29kHz，振幅为6μm；超声滚压冲击头使用YG8硬质合金珠子，珠子直径14mm，硬度91HRA，粗糙度Ra 0.1μm；滚压过程中使用调和油(润滑油：煤油＝4:1，v/v)进行润滑和冷却。电脉冲的参数参考下表1设置：

表1.电脉冲参数

对比例1

本对比例提供一种提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀的方法，与实施例1的区别在于，仅包含步骤(1)的预先车削处理。

对比例2

本对比例提供一种提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀的方法，与实施例1的区别在于，预先车削后仅包括超声滚压处理。

力学性能检测

实施例1～4和对比例1～2的力学相关参数检测结果如表2所示：

表2.力学性能检测结果

从表中结果可以看出，实施例的硬度都高于对比例1，除实施例4以外的其它实施例的硬度都高于对比例2，这可能是因为过高的预设电压反而可能会对加工硬度造成一定程度的恶化；实施例的表面粗糙度也都低于对比例。

耐空化腐蚀检测

采用全浸实验(JB/T 7901-1999《金属材料实验均匀腐蚀全浸试验方法》)，在3.5wt.％NaCl溶液中电化学实验来评价实施例和对比例处理后的镍铝青铜工件表面的耐模拟海水腐蚀性能。根据ASTM G32-10标准所公开的标准空化腐蚀实验方法，利用空化腐蚀测试平台测试实施例和对比例处理后的镍铝青铜工件在3.5wt.％NaCl溶液中的耐空化腐蚀性能，将镍铝青铜工件的处理表面置于超声辐射杆的下方，超声空化加上模拟海水的腐蚀作用会对表面产生空化腐蚀，空化腐蚀试验处理过程为超声作用1小时，暂停1小时，重复直到总计有效作用时间为3个小时。电化学试验得到的自腐蚀电位E_c、腐蚀电流密度i_corr和钝化电位E_b以及空化腐蚀试验得到的重量损失的结果如表3所示。

表3.耐空化腐蚀性能检测结果

从表3中的数据可以看出，腐蚀电流密度从车削、超声滚压到声电耦合样品依次减小，说明腐蚀速率降低，耐腐蚀性能得到改善。镍铝青铜工件有明显的钝化区，经过声电耦合处理后，钝化电位得到降低，说明处理后的表面更易形成钝化。而在实施例1～3的声电耦合样品中，实施例3的优化效果最明显。

另一方面，实施例的工件在经过表面声电耦合处理后，重量损失得到较大的降低，实施例1～4的重量损失均明显低于对比例1或对比例2。其中，重量损失由车削态的25g/m²最低降低到实施例3的13g/m²，失重速率降低一半，耐空化腐蚀性能得到明显的提高。

结合表2和表3的结果中实施例和对比例的对照，表面粗糙度的降低有利于提高改善样品表面流场的分布，对于空化泡的溃灭起到一定的抑制作用，另外相对表面积减小也有利于降低空化泡的剥离作用，从而能够起到提高耐空化腐蚀的作用。除此之外，超声滚压的压应力状态在一定程度上可以抑制空化腐蚀裂纹的萌生和扩展，提高其表面的耐空蚀裂纹能力。不同声电耦合处理参数样品之间的差异主要是表面硬度，可以看到空化腐蚀失重量与表面硬度呈现一定的负相关性，相对于实施例1～3，对比例1～2硬度更低，重量损失也更大；可见表面硬度的提高有利于耐空化腐蚀性能的提高；不过对比实施例4，其硬度明显低于实施例1～3，也低于对比例2，但失重与实施例1～2类似，低于对比例2。因此，镍铝青铜耐空化腐蚀性能的改善与表面硬度、表面粗糙度、表面预置压应力等多种因素有关，但显然并不仅限于以上的因素，耐空化腐蚀性能的提高有赖于其表面粗糙度的降低、表面预置压应力状态和表面硬度的提高，但也并不意味着任何提升材料表面的光洁度的方法都必然预期能够改善镍铝青铜的耐空化腐蚀性能。

上面结合实施例对本申请作了详细说明，但是本申请不限于上述实施例，在所属技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本申请宗旨的前提下作出各种变化。此外，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

Claims

1.提高镍铝青铜工件耐空化腐蚀性能的方法，其特征在于，包括以下声电耦合的步骤：对所述镍铝青铜工件施加脉冲电流，同时对所述镍铝青铜工件进行超声滚压处理。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，包括以下步骤：将所述镍铝青铜工件装夹到支撑装置上，对所述镍铝青铜工件施加脉冲电流，同时通过超声滚压枪头对所述镍铝青铜工件进行超声滚压处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述脉冲电流的参数为：频率200～10000Hz，脉宽40～100μs，均方根电流10～100A/mm²，峰值电流100～1000A/mm²。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述超声滚压处理的参数为：频率20～40kHz，振幅3～20μm。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述超声滚压处理所用的超声滚压冲击头的直径为10～50mm，硬度为80HRA以上，粗糙度为0.2μm以下。

6.根据权利要求4或5所述的方法，其特征在于，所述超声滚压处理采用润滑油和煤油的混合液进行润滑和冷却。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述润滑油和所述煤油的体积比约为4：1。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在声电耦合处理前还包括车削预处理以降低表面粗糙度。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述车削预处理的参数为：转速为500～1000转/分钟，进给0.05～0.5mm/转，吃刀量0.05～0.5mm。

10.镍铝青铜制品，其特征在于，采用权利要求1至9任一项所述的方法处理得到。