劉金林, 付亞波, 崔 靜, 陳學(xué)林

(1.臺(tái)州學(xué)院 物理與電子工程學(xué)院,浙江 臺(tái)州 318000; 2.中國(guó)民航大學(xué) 機(jī)場(chǎng)學(xué)院,天津 300300；3.玉環(huán)方正銅業(yè)有限公司，浙江 臺(tái)州 317605)

0 前 言

閥門(mén)是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件,具有導(dǎo)流、截流、調(diào)節(jié)、節(jié)流、防止倒流、分流或溢流泄壓等功能.作為管道的重要控制元件,廣泛應(yīng)用于石油、化工、冶金、天然氣輸送、發(fā)電站和城市供水等國(guó)民經(jīng)濟(jì)的各個(gè)部門(mén).銅閥門(mén)因?yàn)榫哂薪?jīng)久耐用、殺菌、美觀實(shí)用和極耐腐蝕等性能,得到了廣泛的應(yīng)用.然而,由于空氣潮濕,閥門(mén)加工過(guò)程也存在二次污染,表面變色問(wèn)題影響了產(chǎn)品性能.

通常情況下,腐蝕會(huì)導(dǎo)致表面變色,影響產(chǎn)品的使用性能.銅及其合金的變色是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程,它涉及到大氣腐蝕、電化學(xué)腐蝕和化學(xué)腐蝕等[1-2],影響因素主要有濕度和溫度等.

當(dāng)大氣濕度很低時(shí),銅表面的吸附水膜為單分子層厚,沒(méi)有形成連續(xù)的液膜,所生成的氧化膜多為Cu2O和CuO,疏松多孔,腐蝕速度極低,易在表面形成一層保護(hù)膜.在高濕度的環(huán)境中,由于銅材表面缺陷內(nèi)的吸附凝聚、化學(xué)凝聚或毛細(xì)凝聚作用,可以凝結(jié)出一層肉眼可見(jiàn)的水膜[3-4].因附著在金屬表面的水膜很薄,空氣中的O2很容易到達(dá)金屬表面,所以陰極過(guò)程很容易進(jìn)行,導(dǎo)致腐蝕的速度變快,相當(dāng)于濕的大氣腐蝕.

本文主要研究在潮濕條件下,易切削黃銅HPb58-3材料表面變色的原因.通過(guò)模擬潮濕環(huán)境,對(duì)未放入水中和放入水中的樣品做了對(duì)比試驗(yàn),采用OM、SEM和XRD進(jìn)行觀察研究,確定生成物的存在形態(tài)和物相組成,為清洗表面提供理論支持.

1 試驗(yàn)過(guò)程

以HPb58-3易切削鉛黃銅為研究對(duì)象,樣品的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為:Cu57.530,Zn36.480,Pb2.850,Sn0.810,Fe0.620,Ni0.376,Al0.235.從閥門(mén)本體上用鋼鋸截取長(zhǎng)15 mm的試樣,平均分成4份.其中兩份未放入水中,另外兩份放入水中浸濕8天,模擬水中潮濕環(huán)境,分別觀察研究表面顯微組織、形貌和物相組成.

金相試驗(yàn)的樣品經(jīng)細(xì)磨和拋光后浸蝕.浸蝕劑為:3 g三氯化鐵、96 ml無(wú)水乙醇和2 ml稀鹽酸,然后用Olympus DPII 型光學(xué)顯微鏡觀察金相組織.用日立S-4800 SEM(帶EDX)觀察表面形貌.表面磨平的樣品不用腐蝕,用D8 Advance XRD測(cè)定表面變色物質(zhì)的物相組成.

2 結(jié)果與討論

2.1 微觀組織分析

圖1為樣品的金相照片.未放入水中的微觀組織見(jiàn)圖1(a),放入水中的微觀組織見(jiàn)圖1(b).通過(guò)兩幅圖的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)：未放入水中的試樣照片中銅鋅基體沒(méi)有發(fā)現(xiàn)顆粒狀物質(zhì)分布,而放入水中的試樣表面有顆粒狀物質(zhì)分布,而且這種物質(zhì)呈現(xiàn)黑色,分布不均勻.經(jīng)XRD分析,此物質(zhì)主要為ZnO和Cu5Zn8.主要形成原因是樣品在水中浸泡后,水中潮濕環(huán)境和氧元素的存在,使其表面形成一層氧化膜.

圖1 樣品的金相照片F(xiàn)ig.1 The metallographic structure of alloy

2.2 SEM觀察

圖2(見(jiàn)下頁(yè))為樣品組織的SEM照片.未放入水中的組織形貌見(jiàn)圖2(a),放入水中的見(jiàn)圖2(b).觀察圖2(a)發(fā)現(xiàn),銅鋅基體上存在較多白色的片狀、棒狀和點(diǎn)狀物,其中棒狀尺寸長(zhǎng)度為0.6～0.3 μm,寬度在0.1～0.15 μm之間，以彌散形式分布在基體上,經(jīng)過(guò)能譜分析發(fā)現(xiàn)為元素鉛.觀察放入水中8天后的試樣發(fā)現(xiàn),基體表面分布了一層覆蓋物,厚度達(dá)0.4～0.5 μm,長(zhǎng)度達(dá)10 μm以上,寬度達(dá)2～4 μm，如圖2(b).覆蓋物呈片層狀,覆蓋在銅鋅基體上,經(jīng)過(guò)XRD分析發(fā)現(xiàn)為ZnO和Cu5Zn8.由于試樣放入水中后,水、銅、鋅和氧的共同作用,在表面形成了化合物,這是潮濕環(huán)境下表面變色的主要原因.為解決易切削銅表面變色問(wèn)題,可采用化學(xué)清洗、高壓水射流和拋丸等方法,清除掉這層覆蓋物.

圖2 樣品的SEM形貌Fig.2 The SEM microstructure of alloy

2.3 物相分析

圖3為樣品經(jīng)XRD物相分析的結(jié)果.未放入水中的試樣表面的衍射峰見(jiàn)圖3(a),放入水中的見(jiàn)圖3(b).經(jīng)過(guò)卡片對(duì)比發(fā)現(xiàn),未放入水中的物相主要有Pb、CuZn和γ-Fe,是材料的基本相組成,表面沒(méi)有出現(xiàn)氧化物等新相.而放入水中8天后,材料表面形成了新相,主要物相為ZnO和Cu5Zn8,覆蓋在表面引起了表面變色.在水溶液的浸蝕下,黃銅中的Zn與水中的O2容易形成ZnO,而Cu和Zn可以形成互溶固溶體,在水的作用下形成了新相Cu5Zn8.主要原因是在潮濕條件下,當(dāng)銅材表面形成連續(xù)的幾十個(gè)或幾百個(gè)電解液膜層時(shí),可發(fā)生電化學(xué)腐蝕,形成了新相Cu5Zn8.而O2的存在則使活潑元素Zn首先發(fā)生氧化,形成了ZnO附在材料表面.

圖3 樣品的XRD分析Fig.3 The analysis of XRD of alloy

3 清洗技術(shù)分析

為清除材料表面的新物質(zhì),可采用非環(huán)保技術(shù)和環(huán)保技術(shù).

非環(huán)保技術(shù)主要是采用化學(xué)酸洗的方法,通過(guò)化學(xué)反應(yīng)清除表面生成的新物質(zhì),然后用水清洗表面.此技術(shù)成本低、操作簡(jiǎn)便,但是會(huì)對(duì)空氣和土壤造成污染,處理廢液也需投入較多費(fèi)用,因此逐漸被禁止[5].

常用的環(huán)保清洗技術(shù)有四種,分別為高壓水射流清洗、超聲波清洗、拋丸和拋砂.

3.1 高壓水射流清洗

高壓水射流清洗,是將普通自來(lái)水通過(guò)高壓泵加壓到數(shù)百乃至數(shù)千大氣壓力,然后通過(guò)特殊的噴嘴(孔徑只有1～2 mm),以極高的速度(200～500 m/s)噴出一股能量高度集中的水流.這些小水流如同小子彈一樣具有巨大的能量,能夠?qū)摪迩懈睢㈣T件清砂、金屬除銹,更能除去管子內(nèi)壁的鹽、堿、垢及各種堵塞物.與傳統(tǒng)的水射流清洗、機(jī)械清洗和化學(xué)清洗技術(shù)相比,高壓水射流清洗的主要優(yōu)勢(shì)為:成本低、清洗質(zhì)量好、工作效率高、沒(méi)有二次污染以及可清洗形狀復(fù)雜的工件等,已廣泛應(yīng)用于物體表面清洗、管道疏通、涂裝前的預(yù)處理、表面除銹和鋼坯表面除磷等領(lǐng)域[6].

3.2 超聲波清洗

超聲波清洗是指聲波信號(hào)高于20 kHz.超聲波的傳遞規(guī)律是按照正弦曲線縱向傳播,即一層弱一層強(qiáng),依次傳遞.當(dāng)強(qiáng)度較弱的聲波信號(hào)對(duì)液體產(chǎn)生作用時(shí),會(huì)對(duì)液體造成一定的負(fù)壓,導(dǎo)致液體內(nèi)部產(chǎn)生許多微小的氣泡;而當(dāng)強(qiáng)度較強(qiáng)的聲波信號(hào)對(duì)液體產(chǎn)生作用時(shí),則會(huì)對(duì)液體造成一定的正壓,致使液體中產(chǎn)生的微小氣泡被迅速壓破.事實(shí)證明，當(dāng)超聲波作用于液體時(shí),液體中每個(gè)氣泡的破裂會(huì)釋放出能量非常大的沖擊波,相當(dāng)于瞬間產(chǎn)生高達(dá)上千個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的大氣壓,這種現(xiàn)象被稱之為“空化效應(yīng)”[7].因?yàn)榭栈莸膬?nèi)外壓力差距十分懸殊,待空化泡破裂時(shí),會(huì)產(chǎn)生局部液力非常大的沖擊波.在這種壓力作用下,沉積在金屬表面的各類污垢會(huì)被剝落.同時(shí),在超聲場(chǎng)的作用下,清洗液的脈動(dòng)和攪拌加劇,溶解和乳化加速,從而強(qiáng)化了清洗效果.超聲波清洗機(jī)正是應(yīng)用液體中氣泡破裂所產(chǎn)生的沖擊波來(lái)達(dá)到清洗和沖刷工件內(nèi)外表面的作用.該技術(shù)對(duì)環(huán)境沒(méi)有污染,但是作用于表面的力量較弱,不能有效去除表面的氧化層.

3.3 拋丸和噴砂

拋丸與噴砂的主要作用為:零件表面除銹、修飾和強(qiáng)化,可以顯著提高材料的抗疲勞強(qiáng)度.一般情況下拋丸為小鋼球,噴砂為石英砂.拋丸與噴砂都能對(duì)工件起到清理和去污的目的,但拋丸對(duì)工件有強(qiáng)化作用,噴砂就不明顯了.拋丸和噴砂在精密鑄造中經(jīng)常應(yīng)用,用以提高鑄件的表面質(zhì)量.但是,這兩種技術(shù)在工量刃具中不適合清除熱處理后的表面物化物,主要原因是效率較低、使用成本較高.

綜上所述,高壓水射流清洗技術(shù)具有成本低、清洗質(zhì)量好、工作效率高、沒(méi)有二次污染以及可清洗形狀復(fù)雜的工件等優(yōu)點(diǎn),可重點(diǎn)關(guān)注.高壓水射流清洗技術(shù)，在其他行業(yè)已經(jīng)廣泛應(yīng)用,在HPb58-3易切削黃銅清洗方面還未有使用,因而具有較高的研究?jī)r(jià)值和良好的產(chǎn)業(yè)化前景.

4 結(jié) 論

研究了HPb58-3易切削銅合金閥門(mén)表面變色的原因,在模擬潮濕環(huán)境條件下,通過(guò)未放入水中和放入水中試樣的對(duì)比,得出以下結(jié)論:

(1) 未放入水中的試樣,在銅鋅基體上存在較多白色的片狀、棒狀和點(diǎn)狀物,以彌散形式分布在基體上,經(jīng)過(guò)能譜分析發(fā)現(xiàn)為Pb.而放入水中的試樣則在表面形成了一層覆蓋物,以片層狀覆蓋在銅鋅基體上,且分布不均勻.

(2) 通過(guò)XRD和SEM研究發(fā)現(xiàn),試樣表面變色主要因?yàn)閆nO和Cu5Zn8覆蓋在其表面,厚度僅為0.4～0.5 μm,可采用高壓水射流清洗技術(shù)清洗表面.該清洗技術(shù)具有高效、環(huán)保等特點(diǎn),是表面清洗的發(fā)展方向.

參考文獻(xiàn):

[1] 楊德鈞,沈卓身.金屬腐蝕學(xué)[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1999:4-5.

[2] 劉永輝,張佩芬.金屬腐蝕學(xué)原理[M].北京:航空工業(yè)出版社,1993:1-6.

[3] 姚若浩,楊潔,竇鵬.銅表面鈍化處理(I)—銅材表面變色及其抑制效果評(píng)價(jià)方法研究[J].南方冶院科技,1997(1):16-21.

[4] 小泉達(dá)也.關(guān)于銅加工制品變色機(jī)構(gòu)—微量不純氣體的影響[J].伸銅技術(shù)研究會(huì)志,1977,15:98-103.

[5] Takashi K,Li T,Akira T,etal.Formation of ultrafine carbon tubes by using an anodic alumina oxide film as a template[J].ChemMater,1995(7):1427-1428.

[6] 劉程主.表面活性性應(yīng)用手冊(cè)[K].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,1996:66-96.

[7] Dujardin E,Ebbesen,Hiura H,etal.Capillarit and wetting of carbon nanotubes[J].Sci,1994,265(5180):1850-1852.