发动机凸轮轴用钢管酸洗试验研究

彭福本，蔡 煜

（1. 江苏长强钢铁有限公司，江苏 泰州 214500；
2. 江苏常宝普莱森钢管有限公司，江苏 常州 213200）

钢管酸洗是钢管冷拔前的一道重要工序［1-10］。某公司生产的S45C 发动机凸轮轴用钢管母管在冷拔酸洗过程中出现外表面针孔、有刺鼻气味气体散发的情况。为了解决此问题，现采用对比试验方法，研究硫酸酸洗对S45C 发动机凸轮轴用钢管表面质量的影响。

1.1 试验材料及试验仪器

选用Φ34 mm×6 mm 规格S45C 光亮管，沿着其纵轴方向截取长度为20 mm 的试验样管。试验仪器选用上海比朗仪器制造有限公司的SC-30 恒温水浴槽，温度范围为室温到100 ℃。

1.2 试验方法

在同一支钢管上截取16 根长度为20 mm 样管，编号1～8 为光亮管，编号9～16 是经650 ℃保温10 min 后外表面形成一层氧化皮的样管。将两种类型的样管用硫酸进行酸洗，观察酸洗对其外表面的影响。试验参数见表1。

表1 S45C 样管酸洗试验参数

（1） 观察在20%硫酸体积分数条件下酸洗温度及表面状态对S45C 样管外表面的影响。将S45C样管（光亮管与外表面氧化管各1 件）在两种温度（60 ℃和70 ℃）、体积分数为20%的硫酸中进行酸洗，保温时间为15 min，表1 中序号a 和序号c。

（2） 观察在20%硫酸体积分数条件下酸洗时间及表面状态对S45C 样管外表面的影响。将S45C样管（光亮管与外表面氧化管各1 件）在两种温度（60 ℃和70 ℃）、体积分数为20%的硫酸中进行酸洗，保温时间为30 min，与保温时间为15 min 的试验结果进行对比，表1 中序号b 及序号d。

（3） 观察硫酸体积分数及表面状态对S45C 样管外表面的影响。将S45C 样管（光亮管与外表面氧化管各1 件）在两种温度（60 ℃和70 ℃）、体积分数从20%降低至15%的硫酸中进行酸洗，保温时间为15 min 及30 min，表1 中序号e～h。

选用的S45C 样管的化学成分见表2，其金相组织及夹杂物等级见表3，硬度见表4，可见该样管本身及氧化处理后的样管的各项性能均符合要求。截取的样管用丙酮以及无水乙醇进行清洗并编号，如图1 所示。

图1 清洗后的S45C 样管

表2 S45C 样管化学成分（质量分数）%

表3 S45C 样管金相组织及夹杂物等级 级

表4 S45C 样管硬度HRB

2.1 酸洗温度对S45C 外表面的影响

将1 号与9 号样管用体积分数为20%、温度为60 ℃的硫酸进行酸洗，3 号与11 号样管用体积分数为20%、温度为70 ℃的硫酸进行酸洗，保温时间均为15 min。

（1） 在60 ℃酸洗保温15 min 的特征。样管刚放入溶液后反应剧烈，有刺鼻的气味散发，两种类型的样管反应程度基本一致，其中1 号样管（光亮管）起初反应稍剧烈。保温15 min 后将样管拿出清洗，外表面及端面状态如图2 所示。可以看出，两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致，外表面无针孔产生，偶有线性缺陷，但端面有明显疏松及针孔。

图2 S45C 样管在60 ℃的20%硫酸中酸洗15 min 后的状态

（2） 在70 ℃酸洗保温15 min 的特征。样管刚放入溶液，反应较60 ℃剧烈，有刺鼻的气味散发，两种类型的样管反应程度基本一致，其中3 号样管（光亮管）起初反应稍剧烈。保温15 min 后将样管拿出清洗，外表面及端面状态如图3 所示。可以看出，两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致，外表面无针孔产生，偶有线性缺陷，端面有明显疏松及针孔，但较60 ℃严重。

图3 S45C 样管在70 ℃的20%硫酸中酸洗15 min 后的状态

2.2 酸洗时间对S45C 外表面的影响

将2 号与10 号样管用体积分数为20%、温度为60 ℃的硫酸进行酸洗，4 号与12 号样管用体积分数为20%、温度为70 ℃的硫酸进行酸洗，保温时间均为30 min。

（1） 在60 ℃酸洗保温30 min 的特征。样管刚放入溶液，反应剧烈，有刺鼻的气味散发，两种类型的样管反应程度基本一致，2 号样管（光亮管）起初反应稍剧烈。保温30 min 后将样管拿出清洗，外表面及端面状态如图4 所示，可以看出，两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致，外表面无针孔产生，偶有线性缺陷；
端面有明显疏松及针孔，较60 ℃+15 min 严重。

图4 S45C 样管在60 ℃的20%硫酸中酸洗30 min 后的状态

（2） 在70 ℃酸洗保温30 min 的特征。样管刚放入溶液，反应剧烈，有刺鼻的气味散发，两种类型的样管反应程度基本一致，其中4 号样管（光亮管）起初反应稍剧烈。保温30 min 后将样管拿出清洗，外表面及端面状态如图5 所示，可以看出，两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致，外表面无针孔产生，偶有线性缺陷；
端面有明显疏松及针孔，较前三者严重。

图5 S45C 样管在70 ℃的20%硫酸中酸洗30 min 后的状态

2.3 硫酸体积分数对S45C 外表面的影响

改变硫酸体积分数至15%，分别将S45C 样管在60 ℃及70 ℃下进行酸洗，分别保温15 min 及30 min。

（1） 酸洗温度的影响。

将5 号、7 号、13 号、15 号样管用体积分数为15%的硫酸进行酸洗。其中，5 号与13 号的酸洗温度为60 ℃，7 号与15 号的酸洗温度为70 ℃，保温时间均为15 min。

在两个温度段将样管放入溶液，反应较体积分数为20%的硫酸弱，有刺鼻的气味散发，两种类型的样管反应程度基本一致，其中5 号、7 号样管（光亮管）起初反应稍剧烈。保温15 min 后将样管拿出清洗，60 ℃和70 ℃酸洗时样管的外表面及端面状态如图6～7 所示。可以看出，两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致，外表面无针孔产生，偶有线性缺陷，端面有明显疏松及气孔，但70 ℃酸洗时较60 ℃严重。

图6 S45C 样管在60 ℃的15%硫酸中酸洗15 min 后的状态

图7 S45C 样管在70 ℃的15%硫酸中酸洗15 min 后的状态

（2） 保温时间的影响。

将6 号（光亮管）、8 号（光亮管）、14 号、16 号样管用体积分数为15%的硫酸进行酸洗。其中，6号与14 号的酸洗温度为60 ℃，8 号与16 号的酸洗温度为70 ℃，保温时间均为30 min。

在两个温度段将样管放入溶液，反应较体积分数为20%的硫酸弱，有刺鼻气味散发，两种类型的样管反应程度基本一致，6 号、8 号样管起初反应稍剧烈。保温30 min 后将样管拿出清洗，60 ℃和70 ℃酸洗时样管的外表面及端面状态如图8～9所示。可以看出，两种类型的样管在酸洗后表面状态基本一致，外表面无针孔产生，偶有线性缺陷，端面有明显疏松及气孔，70 ℃较60 ℃严重。

图8 S45C 样管在60 ℃的15%硫酸中酸洗30 min 后的状态

图9 S45C 样管在70 ℃的15%硫酸中酸洗30 min 后的状态

2.4 小结

通过上述分析，可得S45C 样管在不同酸洗工艺下的酸洗试验结果见表5，发现酸洗温度、酸洗时间与酸洗表面缺陷的严重程度成正比。

随后对上述腐蚀严重的样品纵剖磨制纵向，均未在其外表面发现明显缺陷。

（1） 硫酸体积分数降低时，S45C 样管在相同温度及保温时间下的腐蚀程度降低。在相同体积分数的硫酸条件下，S45C 样管的腐蚀程度随酸洗温度及保温时间增加而增加。与S45C 氧化管相比，光亮管在硫酸溶液中的起初反应更剧烈。

（2） S45C 样管放入溶液有刺鼻气味散发，稀硫酸与铁反应产生硫酸亚铁及氢气，产生的主要是氢气，同时有微量的酸雾（氢气泡在液面破裂时带出的微小液滴），在加热状态下酸雾挥发严重，因此具备刺激性，属于正常化学反应。

（3） 鉴于之前酸洗一直使用的是S45C 氧化管，结合试验，建议将此批光亮汽车母管（表面基本无氧化皮）的酸洗工艺调整为：硫酸体积分数从20%调整为15%，酸洗时间从10 min 调整为5 min，温度从60～70 ℃调整为50～60 ℃。采取调整后的酸洗工艺时，酸洗气味和表面质量得到明显改善。

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