張 鑫 涂德華

（1福建省廈門海洋職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廈門 361012；2廈門大學(xué)嘉庚學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，漳州363105）

被譽(yù)為漿果之王的藍(lán)莓，是世界糧農(nóng)組織重點(diǎn)推薦的五大健康水果之一。隨著人們生活水平的提高，富含多種營養(yǎng)和抗氧化生物活性物（花色苷、花青素、多酚類、類黃酮等物質(zhì)）的藍(lán)莓進(jìn)入了平常百姓的家庭[1-3]。人們對(duì)藍(lán)莓需求的不斷增加，藍(lán)莓的種植面積也在世界范圍逐年擴(kuò)大，產(chǎn)量節(jié)節(jié)攀升。為了減輕工人挑選、稱重、包裝藍(lán)莓的工作強(qiáng)度，提高工作效率，國內(nèi)外科技工作者設(shè)計(jì)了多款藍(lán)莓分選稱重包裝機(jī)械，國內(nèi)廠商也已經(jīng)能批量提供基于機(jī)械原理分選大小的藍(lán)莓分選稱重包裝設(shè)備。國外研究藍(lán)莓分選時(shí)間早于我國，現(xiàn)在歐美廠商已經(jīng)商業(yè)應(yīng)用近紅外、偏光、機(jī)器視覺、電子傳感器等技術(shù)分選藍(lán)莓內(nèi)、外部質(zhì)量[5-6]，而對(duì)于藍(lán)莓分選設(shè)備的不銹鋼材質(zhì)在藍(lán)莓分選環(huán)境的耐腐蝕問題，國內(nèi)外研究不多。

1 藍(lán)莓分選機(jī)不銹鋼腐蝕

2020年4-6月，由于國外藍(lán)莓分選設(shè)備制造工廠停工，國內(nèi)某機(jī)械加工廠為國外一著名水果分選廠商代工生產(chǎn)了一批不銹鋼材質(zhì)的藍(lán)莓分選稱重包裝設(shè)備。設(shè)備出口到南美秘魯后，從2020年8月開始，現(xiàn)場客戶陸續(xù)反饋不銹鋼表面銹蝕、焊縫銹蝕、焊接斷裂等現(xiàn)象。具體腐蝕現(xiàn)象見圖1和圖2。

圖1 表面銹蝕

圖2 焊縫腐蝕

2 藍(lán)莓分選機(jī)不銹鋼銹蝕原因分析

2.1 藍(lán)莓分選機(jī)使用環(huán)境

根據(jù)劉丙花、謝國芳等人的實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果[2，4]，藍(lán)莓果實(shí)的pH值分布范圍為2.9～4.9之間，小于酸雨的pH（5.6），即藍(lán)莓酸性比酸雨強(qiáng)。同一品種，不同地區(qū)和氣候會(huì)造成藍(lán)莓pH值略有差異。藍(lán)莓屬于漿果，果實(shí)皮薄，在采摘（收割）、分選、搬運(yùn)過程中，時(shí)常發(fā)生部分藍(lán)莓破損，果肉水分流出現(xiàn)象。流出的酸性液體留存在分選設(shè)備上，與藍(lán)莓其它揮發(fā)物在空氣中形成酸性的化合物[7-8]。即藍(lán)莓分選機(jī)在酸性環(huán)境下工作，相對(duì)于機(jī)身，與藍(lán)莓接觸的部件pH值會(huì)更低一些，環(huán)境更惡劣。

2.2 不銹鋼原材料及加工工藝分析

針對(duì)這批304不銹鋼零件銹蝕，進(jìn)行了中外原材料、原材料標(biāo)準(zhǔn)、焊接工藝、焊接后處理分析。

2.2.1 不銹鋼原材料及標(biāo)準(zhǔn)分析 將材料送到第三方檢測機(jī)構(gòu)，根據(jù)GB/T11170-2008《不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，對(duì)比測試國外樣品和國內(nèi)產(chǎn)品的化學(xué)成分(表1)，國內(nèi)、外材料都滿足304（06Cr19Ni10)的要求。根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)和不銹鋼點(diǎn)蝕當(dāng)量指數(shù)PREN（計(jì)算公式PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%)[9]，國內(nèi)、外304不銹鋼材料的耐腐蝕性能理論上相差不大。

表1 304不銹鋼材料元素測試對(duì)比表

國內(nèi)外不銹鋼材料交貨標(biāo)準(zhǔn)對(duì)比，歐洲標(biāo)準(zhǔn)EN 10088-2-2014《不銹鋼-第2部分：通用耐腐蝕鋼的薄鋼板/鋼板和帶鋼的技術(shù)交貨條件》明確規(guī)定奧氏體不銹鋼1.4301（304）需要通過晶間腐蝕試驗(yàn)才能交貨[10]。我國標(biāo)準(zhǔn)GB/T3280-2015和GB/T24511-2017規(guī)定，只有客戶書面合同要求，不銹鋼材料出廠才做晶間腐蝕試驗(yàn)[11-12]。即客戶沒有書面要求，常規(guī)不銹鋼材料不需要通過晶間腐蝕試驗(yàn)，也可以在市面上流通。這個(gè)不銹鋼材料標(biāo)準(zhǔn)上的細(xì)微差異也是該設(shè)備不銹鋼焊接處斷裂和腐蝕的一個(gè)原因。

2.2.2 不銹鋼材料焊接分析 該設(shè)備不銹鋼的焊接工藝為TIG焊接（鎢極氬弧焊），材料自熔接焊接。根據(jù)眾多學(xué)者對(duì)奧氏體不銹鋼焊接接頭的研究成果[13-18]，由于焊接熱輸入和熱循環(huán)的影響，焊接接頭區(qū)域外表面鈍化膜發(fā)生破壞；并且，焊接過程的高溫改變了焊縫及其熱影響區(qū)域的奧氏體不銹鋼材料的組織和結(jié)構(gòu)，形成了含鉻（Cr)量少于12%的“貧鉻區(qū)”、晶粒粗大區(qū)域、不同電極電位的電化學(xué)區(qū)域；在多重因素共同作用下，焊接接頭形成耐腐蝕性能由強(qiáng)到弱、階梯分布的母材區(qū)域＞熱影響區(qū)域＞焊縫區(qū)域。為了減少焊接過程碳化鉻的產(chǎn)生和晶間腐蝕，焊接母材可選擇C≤0.03%的超低碳不銹鋼304L（00Cr18Ni10）。為了增加焊縫的耐腐蝕性，在焊接時(shí)添加比母材含鉻量和鎳量更高的的焊絲（如ER316L），增加焊縫的鉻含量，形成耐腐蝕性能由強(qiáng)到弱的焊縫區(qū)域＞母材區(qū)域＞熱影響區(qū)域。為了減小焊接對(duì)熱影響區(qū)域影響程度，在焊接過程中可采用小電流、快焊快冷等方法。

2.2.3 不銹鋼焊接后處理分析 不銹鋼在焊接過程中，由于焊接高溫、裝夾等因素將不銹鋼原材料的原有鈍化層破壞，并且產(chǎn)生了貧鉻的氧化層。不銹鋼零件完成加工后，通常需要進(jìn)行打磨、酸洗、鈍化處理[16，19]。如焊接接頭存在裂縫、氣孔等缺陷或打磨、酸洗、鈍化不徹底，甚至不進(jìn)行處理，不銹鋼焊接接頭在藍(lán)莓分選環(huán)境中會(huì)很快銹蝕。在酸洗、鈍化前，對(duì)于加工過程中產(chǎn)生的表面缺陷，如劃傷、磕碰，需要打磨光滑。近期研究表明，不銹鋼表面的粗糙度越低，對(duì)不銹鋼的耐腐蝕性越有利。國內(nèi)外資料推薦不銹鋼表面粗糙度控制在Ra=0.5 μm以下[15]。

2.2.4 改進(jìn)措施及綜合試驗(yàn)結(jié)果 材料改用與304價(jià)格相差不大的超低碳奧氏體不銹鋼304L（00Cr18Ni10）；材料需要通過耐晶間腐蝕要求試驗(yàn)；焊絲使用ER316L；焊接工藝依然為TIG焊接（鎢極氬弧焊）；焊接完成后打磨表面光滑至粗糙度小于Ra=0.5 μm；酸洗，鈍化。

制造過程中，減少鐵污染不銹鋼，例如減少不銹鋼同碳鋼表面接觸；使用清潔的牛皮紙、吸墨紙、紙板隔離；專用不銹鋼焊接車間；專用不銹鋼材質(zhì)的鋼絲刷或塑料刷；鍍鉻的固定工裝或工具或不銹鋼材質(zhì)工裝；清潔、未使用、不含鐵的磨料等。

為了驗(yàn)證分析結(jié)果和改進(jìn)措施是否有效，重新按照改進(jìn)措施制造2件藍(lán)莓分選機(jī)關(guān)鍵接觸零件——不銹鋼漏斗。根據(jù)GB/T 25150 藍(lán)點(diǎn)測試法和ASME A380/380E的中性鹽霧試驗(yàn)要求測試不銹鋼漏斗的耐腐蝕性[20，21]。藍(lán)點(diǎn)法測試顯示經(jīng)過酸洗、鈍化的不銹鋼表面耐腐蝕性比未鈍化的表面好，藍(lán)點(diǎn)出現(xiàn)的時(shí)間比未鈍化表面慢幾十倍。中性鹽霧試驗(yàn)120 h后，其中一個(gè)不銹鋼漏斗焊接外表面出現(xiàn)黃銹，其余部分未出現(xiàn)銹蝕現(xiàn)象。中性鹽霧試驗(yàn)120 h后，產(chǎn)品外觀見圖3。將生銹零件取出，使用酸洗鈍化膏除銹后，在40×體視顯微鏡下觀察生銹部位，發(fā)現(xiàn)長度4～5 mm焊接裂紋，具體見圖4。

圖3 中性鹽霧試驗(yàn)120 h表面銹蝕現(xiàn)象

圖4 焊縫裂紋

由試驗(yàn)結(jié)果可知，通過改進(jìn)措施，試樣具有更好的耐腐蝕性能。但如零件焊縫有缺陷、打磨后粗糙度過高、零件表面有磕碰傷、制造過程中游離鐵壓入不銹鋼，這些缺陷表面將先于其他表面產(chǎn)生腐蝕。

3 結(jié)論

由于藍(lán)莓自身特性，藍(lán)莓分選機(jī)的使用環(huán)境為酸性腐蝕環(huán)境，藍(lán)莓分選機(jī)材質(zhì)耐腐蝕性能要求高。為了提升藍(lán)莓分選機(jī)材質(zhì)的耐腐蝕性和經(jīng)濟(jì)性，藍(lán)莓分選機(jī)可選用通過耐晶間腐蝕試驗(yàn)的304L（00Cr18Ni10）不銹鋼制造；如需要焊接，焊絲選用含鉻量比母材更高的不銹鋼材質(zhì)，提升焊縫的耐腐蝕性能，焊接過程中避免任何焊接缺陷。為了減少腐蝕發(fā)生率和延緩腐蝕發(fā)生時(shí)間，藍(lán)莓分選機(jī)不銹鋼零件在制造、裝配、搬運(yùn)過程中，需要盡量減少鐵（包括碳鋼）對(duì)不銹鋼材質(zhì)的污染，并保證不銹鋼零件表面的粗糙度在Ra=0.5μm以下。