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不锈钢钝化膜的半导体特性与耐蚀性的关联研究

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-28  浏览次数:26 选择视力保护色:

[摘要]  中华不锈钢网发回的报道:机加环圈强度不够且没有足够的收缩量由于机加环圈采用厚度20mm的板材加工,其毛坯料已有变形,在车削

  中华不锈钢网发回的报道:机加环圈强度不够且没有足够的收缩量由于机加环圈采用厚度20mm的板材加工,其毛坯料已有变形,在车削加工时因装夹紧固而掩盖了变形现象,在车削过程中又产生内应力。机加环圈短、壁薄、直径大,刚性差,车削加工后的存放、交付都处于自由状态,应力释放时产生变形。
  
  中间的筒体不圆且与两端的环圈出现台阶过渡段中间的筒体采用两块板料对弯成半圆形后焊接成形,焊接后筒体己经产生变形,在与两端的机加环圈组合时出现台阶,从而容易出现焊接后机加环圈与筒体不同轴且出现椭圆的现象。
  
  定位焊夹具强度不够、结构不合理借用以前铝合金过渡段的焊接夹具焊接两端的机加环圈,无法满足不锈钢材料过渡段的焊接要求。在生产过程中,不锈钢过渡段焊接后收缩和应力大,使焊接夹具局部发生变形,无法起到支撑机加环圈的作用,导致过渡段焊接后两端直径变小,从而无法满足设计技术要求。同时,由于夹具没有考虑焊缝的散热和焊缝的氩气保护问题,从而影响了焊缝的焊接变形和焊接质量。
  
  S.4手工焊接,焊接参数不稳定焊接过程中,由于焊接参数不稳定,不同的焊接区域经受不同的温度场变化,内应力不均匀,残余变形不一致,冷却后形成上下端口尺寸不一,甚至出现不同轴现象。
  
  焊后校正困难对于一般薄壁零件而言,焊接后校正是有效消除焊接变形的手段之一。但过渡段为大尺寸的筒体,难以寻找校正支撑面,而飞机零件表面有较高的质量要求,给焊接后校正带来很大困难。过度的校正易造成裂纹,进行补焊时又产生新的变形。
  
  解决方案依据相关的焊接变形理论「2并结合过渡段的实际情况,采用以预先反变形法、预留焊接收缩量法、刚性固定法、对称焊接法为主,其它工艺方法为辅的解决工艺方案。
  
  采用预先反变形法采用预先反变形法可以克服筒体纵向焊接时产生变形,如所示。焊接后表明不正圆现象得到很好的控制,大大减小了焊接后校正工作量,并达到椭圆度2mm的要求,同时加强腰带组焊成一个圆,在与筒体点焊后进行校圆,确保在与两端的机加环圈对接时没有台阶出现。
  
  采用预留收缩量法在两个半圆形蒙皮与两端机加环圈焊接后,不可避免地要在直径方向产生收缩,为使焊接收缩后尺寸符合要求,采用预留收缩量法,在两个半圆形蒙皮对缝处每边预留0.5mm的收缩余量,并将两端机加环圈的外径和内加大,如所示。
  
  采用刚性固定法(在夹具上焊接与冷却)在机加环圈与筒体进行环缝焊接时,除了产生收缩外还容易出波浪变形,因而在进行焊接时,在工装上进行定位焊、焊接和冷却,从而强制性地将机加环圈与筒体固定,从筒体内部实现支撑筒体与两端的环圈,防止焊接变形与焊接收缩,防止角变形和波浪变形产生,确保过渡段的直径、椭圆度。同时在夹具上焊接,还可以保证两端的机加环圈与筒体轴线同轴,确保过渡段的垂直度、同轴度。
  
  中华不锈钢网发回的报道:由于焊接工装在控制过渡段的焊接变形方面起着决定性的作用,因此要求工装有足够的支撑面积、强度与刚度,能够轴向旋转、径向伸缩,同时开出焊缝躲避槽,加入导热性能好的铜带以提高焊缝质量,焊接工装结构形式如所示。
  
  采用对称焊接法采用对称焊接法使零件受热均匀、对称,可以减少焊接变形。在焊接两端的机加环圈时,将整个环状焊缝分为4部分,焊接顺序和焊接方向按A―A‘一B―B’一C―C‘一D―D’进行,充分减少过渡段的焊接变形,如所示。
  
  控制零件的对缝间隙焊接零件之间的对缝间隙越大,焊接时填充的焊料越多,焊接停留时间就越长,在该处的焊接能量积累就越大,产生的焊接变形相应就大。从原则上讲,修配零件时,对缝间隙要尽可能小,但是对缝间隙太小,所带来的修配工作量就很大,通过实践摸索,控制零件的对缝间隙。3mm为最佳。
  
  选择合理的焊接参数由于过渡段精度要求高、焊缝长,必须选择合适稳定的焊接参数。经过多次焊接实践后,确定如下焊接参数:纵向焊缝定位焊间距4060mm;焊接电流4050A;焊接速度220250mm/s;6.7机械校正在刚性固定条件下进行环形焊缝焊接,焊接后焊缝内部存在较大的内应力,因此在解除刚性约束前,采用圆盘形辑轮对焊缝及两侧进行辗压,使之延长来减小残余应力和焊接变形。采用此方法可有效地防止了因环形焊缝纵向收缩过大而出现的腰鼓现象,同时方便零件的取出。
  
  提高酤缝焊接质量由于采用了在工装上焊接过渡段为主的方案,过渡段焊接变形最小,但是焊接质量将有所下降,为了达到氩弧焊一n级、loo%的x光检和loo%的渗透检的要求,在工装上采用开焊缝槽、焊缝反面通氩气保护、增加铜带散热、焊缝反面涂焊剂等措施来提高焊缝质量。
  
  检查与改进措施为了检所采取的工艺措施是否可行,对实际生产中的前10架过渡段进行了数据采集与分析,如表1所示。
  
  过渡段机加环圈焊接前与焊接后数据(单位:mm)架次焊接前机加环圈内径机加环圈外径短轴尺寸焊接后机加环圈外径长轴尺寸平均直径椭度7.10103架原因分析与改进措施按照以上工艺措施生产的0103架过渡段,其椭圆度满足了设计技术要求,并顺利通过了焊缝X光检查和渗透检,但是直径比理论小约1.5mm.经过仔细分析发现,生产的机加环圈内外径以及中间的筒体都是按零件尺寸的下差执行,另外在焊接两端的机加环圈时,焊接工装的四个支撑架没有充分起到支撑机加环圈的作用。
  
  改进措施:①控制机加环圈内外径和筒体的直径都按零件的上差执行;②在定位焊筒体与机加环圈前,需将机加环圈与桶体的内径支撑到0603.5mm. 0406架原因分析与改进措施采取了以上2条工艺措施后,0406架过渡段的椭圆度、直径、焊缝X光检和透检查都满足了设计技术要求,但是其直径尺寸刚好在设计技术要求规定的下差内,很容易出现超差情况。
  
  极化曲线(a)为未经处理不锈钢试样的极化曲线,(b)为经电化学表面处理不锈钢试样的极化曲线。结果表明,经过电化学表面改性处理后,不锈钢试样在。5mol/LNaCl溶液中具有较低的腐蚀电流Icct,腐蚀电位明显正移,点蚀电位从处理前的0.28V提高到1.29V.的各等效元件的数值。从表中可以看出,在浓度为。5mol/L的NaCl溶液中,与未经处理样品相比,经过电化学表面改性处理的不锈钢钝化膜电阻Ri提高了两个数量级,钝化膜电容相应降低,其电荷转移电阻R2明显增大,CPE的n值比未经处理的样品更接近于1.这些EIS特征表明,经过电化学表面改性处理的不锈钢钝化膜结构更为均匀致密,膜层厚度增加。钝化膜表面粗糙度降低。不锈钢耐蚀性能不仅取决于钝化膜的化学组分和结构,还与金属表面的缺陷状态密切相关,表面的缺陷易诱导局部腐蚀(如点腐蚀)等。不锈钢表面经过电化学处理以后,能够减少表面物理缺陷,提高表面钝化膜耐点蚀的性能,由此可大幅度提高不锈钢的耐腐蚀能力。
  
  电容测量及Mott-Schottky分析不锈钢表面钝化膜具有半导体特性,膜层表现为重掺杂、高度简并的半导体性质。Mott-Schottlcy关系式可用于描述钝化膜的半导体特性。对于n-型半导体:对于p型半导体:其中,e是真空介电常数,£为半导体介电常数(取值15.6),e为电子电荷,1%和1分别为施主和受主浓度,E是所施加的电位,Efc为平带电位,K是玻尔兹曼常数,T为绝对温度。7C2对电位E作图,可判定半导体的类型,并获得半导体的两个重要参数,施主或受主的浓度和平带电位。
  
  与本征半导体相比,金属或合金钝化膜的Mott-Schottky线性范围比较窄,施主或受主的浓度范围一般在10191022cm'3tn|,比普通半导体大。
  
  中华不锈钢网发回的报道:等效电路屮各元件拟合数据为在不同电位下经电化学表面处理的18-8不锈钢在0.5mol/LNaCl溶液中的Mott-Schottky曲线。从图中可以看到,在不同电位范围18-8不锈钢钝化膜表现出不同的半导体类型。在比平带电位负的电位区间,18-8不锈钢在0.5mol/LNaCl溶液中的Mott-Schottky曲线斜率为负值,说明在此电位区间钝化膜半导体性质为p型。而在比平带电位正的电位区间,18-8不锈钢在0.5mol/LNaCl溶液中的Mott-Schottky曲线斜率为正值,说明在此电位区间钝化膜半导体性质为n型。不管n型半导体还是p型半导体,不同电位下处理形成的钝化膜的Mott-Schottky曲线斜率不相同,其斜率随着处理电位的增加而升篼。说明钝化膜的施主和受主浓度受外加电位的影响,随着电位的增加而减少(见)。如显示,未经处理(a)和在0.8V电位下处理(b)的钝化膜其平带电位约为-0.16V,经过电化学技术改性处理(c)的钝化膜其平带电位约为-0.2V,即经过电化学改性处理的钝化膜其平带电位比其他两种情况负移40mV左右。电容测量结果表明,丨8-8不锈钢钝化膜在负于平带电位的电位范围表现为p型半导体,在高于平带电位的电位范围表现为n型半导体,这主耍与组成钝化膜的Fe和Cr氧化物的半导体性质有关。己有许多研究表明,CKV主要是在膜/溶液界面通过以下反应形成的:经过电化学表面改性处理的不锈钢钝化膜比未处理的钝化膜不仅有更低的施主和受主浓度,而且由于Ci042\N03在钝化膜表面的吸附,使得钝化膜由原来的阴离子选择性转化成具有阳离子选择性。从而可排斥Cl等侵蚀性对钝化膜的进攻、破坏,因此有利于钝化膜耐腐蚀性能的大幅度提高。

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