蓝莓分选机不锈钢零件锈蚀分析及改进措施

张 鑫 涂德华

（1福建省厦门海洋职业技术学院，厦门 361012；2厦门大学嘉庚学院机电工程学院，漳州363105）

被誉为浆果之王的蓝莓，是世界粮农组织重点推荐的五大健康水果之一。随着人们生活水平的提高，富含多种营养和抗氧化生物活性物（花色苷、花青素、多酚类、类黄酮等物质）的蓝莓进入了平常百姓的家庭[1-3]。人们对蓝莓需求的不断增加，蓝莓的种植面积也在世界范围逐年扩大，产量节节攀升。为了减轻工人挑选、称重、包装蓝莓的工作强度，提高工作效率，国内外科技工作者设计了多款蓝莓分选称重包装机械，国内厂商也已经能批量提供基于机械原理分选大小的蓝莓分选称重包装设备。国外研究蓝莓分选时间早于我国，现在欧美厂商已经商业应用近红外、偏光、机器视觉、电子传感器等技术分选蓝莓内、外部质量[5-6]，而对于蓝莓分选设备的不锈钢材质在蓝莓分选环境的耐腐蚀问题，国内外研究不多。

1 蓝莓分选机不锈钢腐蚀

2020年4-6月，由于国外蓝莓分选设备制造工厂停工，国内某机械加工厂为国外一著名水果分选厂商代工生产了一批不锈钢材质的蓝莓分选称重包装设备。设备出口到南美秘鲁后，从2020年8月开始，现场客户陆续反馈不锈钢表面锈蚀、焊缝锈蚀、焊接断裂等现象。具体腐蚀现象见图1和图2。

图1 表面锈蚀

图2 焊缝腐蚀

2 蓝莓分选机不锈钢锈蚀原因分析

2.1 蓝莓分选机使用环境

根据刘丙花、谢国芳等人的实验研究结果[2，4]，蓝莓果实的pH值分布范围为2.9～4.9之间，小于酸雨的pH（5.6），即蓝莓酸性比酸雨强。同一品种，不同地区和气候会造成蓝莓pH值略有差异。蓝莓属于浆果，果实皮薄，在采摘（收割）、分选、搬运过程中，时常发生部分蓝莓破损，果肉水分流出现象。流出的酸性液体留存在分选设备上，与蓝莓其它挥发物在空气中形成酸性的化合物[7-8]。即蓝莓分选机在酸性环境下工作，相对于机身，与蓝莓接触的部件pH值会更低一些，环境更恶劣。

2.2 不锈钢原材料及加工工艺分析

针对这批304不锈钢零件锈蚀，进行了中外原材料、原材料标准、焊接工艺、焊接后处理分析。

2.2.1 不锈钢原材料及标准分析 将材料送到第三方检测机构，根据GB/T11170-2008《不锈钢 多元素含量的测定 火花放电原子发射光谱法（常规法）》，对比测试国外样品和国内产品的化学成分(表1)，国内、外材料都满足304（06Cr19Ni10)的要求。根据试验数据和不锈钢点蚀当量指数PREN（计算公式PREN=Cr%+3.3Mo%+16N%)[9]，国内、外304不锈钢材料的耐腐蚀性能理论上相差不大。

表1 304不锈钢材料元素测试对比表

国内外不锈钢材料交货标准对比，欧洲标准EN 10088-2-2014《不锈钢-第2部分：通用耐腐蚀钢的薄钢板/钢板和带钢的技术交货条件》明确规定奥氏体不锈钢1.4301（304）需要通过晶间腐蚀试验才能交货[10]。我国标准GB/T3280-2015和GB/T24511-2017规定，只有客户书面合同要求，不锈钢材料出厂才做晶间腐蚀试验[11-12]。即客户没有书面要求，常规不锈钢材料不需要通过晶间腐蚀试验，也可以在市面上流通。这个不锈钢材料标准上的细微差异也是该设备不锈钢焊接处断裂和腐蚀的一个原因。

2.2.2 不锈钢材料焊接分析 该设备不锈钢的焊接工艺为TIG焊接（钨极氩弧焊），材料自熔接焊接。根据众多学者对奥氏体不锈钢焊接接头的研究成果[13-18]，由于焊接热输入和热循环的影响，焊接接头区域外表面钝化膜发生破坏；并且，焊接过程的高温改变了焊缝及其热影响区域的奥氏体不锈钢材料的组织和结构，形成了含铬（Cr)量少于12%的“贫铬区”、晶粒粗大区域、不同电极电位的电化学区域；在多重因素共同作用下，焊接接头形成耐腐蚀性能由强到弱、阶梯分布的母材区域＞热影响区域＞焊缝区域。为了减少焊接过程碳化铬的产生和晶间腐蚀，焊接母材可选择C≤0.03%的超低碳不锈钢304L（00Cr18Ni10）。为了增加焊缝的耐腐蚀性，在焊接时添加比母材含铬量和镍量更高的的焊丝（如ER316L），增加焊缝的铬含量，形成耐腐蚀性能由强到弱的焊缝区域＞母材区域＞热影响区域。为了减小焊接对热影响区域影响程度，在焊接过程中可采用小电流、快焊快冷等方法。

2.2.3 不锈钢焊接后处理分析 不锈钢在焊接过程中，由于焊接高温、装夹等因素将不锈钢原材料的原有钝化层破坏，并且产生了贫铬的氧化层。不锈钢零件完成加工后，通常需要进行打磨、酸洗、钝化处理[16，19]。如焊接接头存在裂缝、气孔等缺陷或打磨、酸洗、钝化不彻底，甚至不进行处理，不锈钢焊接接头在蓝莓分选环境中会很快锈蚀。在酸洗、钝化前，对于加工过程中产生的表面缺陷，如划伤、磕碰，需要打磨光滑。近期研究表明，不锈钢表面的粗糙度越低，对不锈钢的耐腐蚀性越有利。国内外资料推荐不锈钢表面粗糙度控制在Ra=0.5 μm以下[15]。

2.2.4 改进措施及综合试验结果 材料改用与304价格相差不大的超低碳奥氏体不锈钢304L（00Cr18Ni10）；材料需要通过耐晶间腐蚀要求试验；焊丝使用ER316L；焊接工艺依然为TIG焊接（钨极氩弧焊）；焊接完成后打磨表面光滑至粗糙度小于Ra=0.5 μm；酸洗，钝化。

制造过程中，减少铁污染不锈钢，例如减少不锈钢同碳钢表面接触；使用清洁的牛皮纸、吸墨纸、纸板隔离；专用不锈钢焊接车间；专用不锈钢材质的钢丝刷或塑料刷；镀铬的固定工装或工具或不锈钢材质工装；清洁、未使用、不含铁的磨料等。

为了验证分析结果和改进措施是否有效，重新按照改进措施制造2件蓝莓分选机关键接触零件——不锈钢漏斗。根据GB/T 25150 蓝点测试法和ASME A380/380E的中性盐雾试验要求测试不锈钢漏斗的耐腐蚀性[20，21]。蓝点法测试显示经过酸洗、钝化的不锈钢表面耐腐蚀性比未钝化的表面好，蓝点出现的时间比未钝化表面慢几十倍。中性盐雾试验120 h后，其中一个不锈钢漏斗焊接外表面出现黄锈，其余部分未出现锈蚀现象。中性盐雾试验120 h后，产品外观见图3。将生锈零件取出，使用酸洗钝化膏除锈后，在40×体视显微镜下观察生锈部位，发现长度4～5 mm焊接裂纹，具体见图4。

图3 中性盐雾试验120 h表面锈蚀现象

图4 焊缝裂纹

由试验结果可知，通过改进措施，试样具有更好的耐腐蚀性能。但如零件焊缝有缺陷、打磨后粗糙度过高、零件表面有磕碰伤、制造过程中游离铁压入不锈钢，这些缺陷表面将先于其他表面产生腐蚀。

3 结论

由于蓝莓自身特性，蓝莓分选机的使用环境为酸性腐蚀环境，蓝莓分选机材质耐腐蚀性能要求高。为了提升蓝莓分选机材质的耐腐蚀性和经济性，蓝莓分选机可选用通过耐晶间腐蚀试验的304L（00Cr18Ni10）不锈钢制造；如需要焊接，焊丝选用含铬量比母材更高的不锈钢材质，提升焊缝的耐腐蚀性能，焊接过程中避免任何焊接缺陷。为了减少腐蚀发生率和延缓腐蚀发生时间，蓝莓分选机不锈钢零件在制造、装配、搬运过程中，需要尽量减少铁（包括碳钢）对不锈钢材质的污染，并保证不锈钢零件表面的粗糙度在Ra=0.5μm以下。