0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層耐沖刷腐蝕性能研究

姚新陽(yáng)，國(guó)旭明

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層耐沖刷腐蝕性能研究

姚新陽(yáng)，國(guó)旭明

(沈陽(yáng)航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，沈陽(yáng) 110136)

對(duì)0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層和對(duì)比材料316L奧氏體不銹鋼在含砂顆粒酸堿溶液中的耐沖刷腐蝕性能進(jìn)行了系統(tǒng)研究。研究表明，在低濃度酸堿及低含砂量的情況下，0Cr13Ni6Mo涂層材料的耐沖刷腐蝕性比316L不銹鋼要好，但優(yōu)勢(shì)不明顯；在高濃度的酸堿及高含砂量情況下，0Cr13Ni6Mo涂層比316L不銹鋼表現(xiàn)出優(yōu)異的耐沖刷腐蝕性能。0Cr13Ni6Mo涂層的高硬度是0Cr13Ni6Mo涂層表現(xiàn)出優(yōu)異的耐沖刷腐蝕性能的主要原因。

316L 不銹鋼；MIG焊；0Cr13Ni6Mo不銹鋼；沖刷腐蝕

應(yīng)用于化工、礦山、冶金、水利、電廠等生產(chǎn)領(lǐng)域的金屬材料，因其長(zhǎng)期處于腐蝕和沖刷的工作條件中，與腐蝕性介質(zhì)如酸、堿、鹽等接觸，承受嚴(yán)重的液固兩相流的沖刷腐蝕磨損，導(dǎo)致部件失效損壞或設(shè)備報(bào)廢，這不但耗竭了極為有限的資源，而且還浪費(fèi)了大量的能源[1-4]。部件破損導(dǎo)致工業(yè)生產(chǎn)不連續(xù)，造成的損失更嚴(yán)重，所以為確保生產(chǎn)裝置安全長(zhǎng)周期有效地運(yùn)行，對(duì)一些設(shè)備構(gòu)件的質(zhì)量及使用壽命提出了更高的要求[5-8]。常采用在金屬表面添加涂層的方式來(lái)改善金屬表面的耐沖刷腐蝕性能。目前涂層制備的常用方法有：堆焊、激光熔敷、噴砂、電鍍等[9-11]。由于0Cr13Ni6Mo不銹鋼具有高強(qiáng)度,在空氣介質(zhì)中的抗氧化性能優(yōu)良等特點(diǎn)[12]，故本文采用MIG焊0Cr13Ni6Mo涂層的方法對(duì)金屬表面進(jìn)行改性處理，與316L不銹鋼基材做對(duì)比，旨在找到更好提高金屬抗沖刷腐蝕性的方法。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 基材及前處理

MIG焊的基體材料為316L不銹鋼，采用直徑為1.2 mm的0Cr13Ni6Mo焊絲，其化學(xué)成分如表1所示。

表1 0Cr13Ni6Mo焊絲的化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)

1.2 0Cr13Ni6Mo涂層制備工藝過(guò)程

堆焊的基材為316L奧氏體不銹鋼鋼板，尺寸為25×150×10 mm。焊前先對(duì)316L不銹鋼基材表面進(jìn)行打磨處理，并用鋼絲刷進(jìn)行清理。然后采用MIG焊方法進(jìn)行表面堆焊。焊接電壓為27 V，電流為200 A，焊接速度為470 mm/min。

1.3 沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)

沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)在自制的噴射式?jīng)_刷腐蝕實(shí)驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，沖刷腐蝕的試樣尺寸為直徑為12 mm，高度13 mm的圓柱。實(shí)驗(yàn)前先將試樣的表面用金相砂紙磨到1 000#，沖刷腐蝕的攻角為45度，噴射的距離為5 mm，實(shí)驗(yàn)溫度為室溫，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為8 h。沖刷腐蝕工作室如圖1所示。沖腐蝕條件為4種，如表2所示。

圖1 沖刷腐蝕工作室示意圖

沖刷腐蝕實(shí)驗(yàn)前后分別用超聲波清洗試樣，然后吹干，用感量為0.1 mg的電子天平稱重。

1.4 測(cè)試表征

采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡對(duì)316L不銹鋼基體和0Cr13Ni6Mo涂層的金相組織進(jìn)行觀察。采用美國(guó)FEI掃描電鏡對(duì)沖涮腐蝕表面形貌進(jìn)行觀察。采用HMV-WIN型顯微硬度計(jì)對(duì)涂層進(jìn)行硬度測(cè)試，載荷為500 g ，加載時(shí)間30 s。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論

2.1 0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的組織分析

圖2(a)為316L不銹鋼的金相組織、圖2(b)為0Cr13Ni6Mo金涂層的金相組織。由圖中可見(jiàn)，316L不銹鋼基體為奧氏體組織，而0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的金相組織為板條狀馬氏體。

表2 沖腐蝕的4種條件

表3為316L奧氏體基體和0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的顯微硬度?？梢?jiàn)，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層硬度值為357，316L不銹鋼基體的顯微硬度值為203，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層硬度比316L不銹鋼的硬度高出76%。

2.2 沖刷腐蝕行為

2.2.1 堿性溶液條件下的沖涮腐蝕行為

圖3是316L奧氏體不銹鋼和0Cr13Ni6Mo馬氏體不銹鋼涂層2種材料經(jīng)過(guò)8 h沖刷腐蝕后的累計(jì)失重量與堿濃度、含砂量以及流速的關(guān)系失重柱形圖。由圖3可以看出當(dāng)堿濃度、含砂量和流速都較小時(shí)，316L不銹鋼的累計(jì)失重為0.6 mg，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的累積失重量為0.5 mg。這表明在低濃度堿以及低含砂量情況下，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層材料的耐沖刷腐蝕性能與316L奧氏體不銹鋼相當(dāng)；當(dāng)堿的濃度、含砂量和流速都較大時(shí)，相同的沖刷腐蝕時(shí)間，316L奧氏體不銹鋼的累計(jì)失重為4.0 mg，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的累積失重量為1.8 mg。316L奧氏體不銹鋼的累計(jì)失重量是0Cr13Ni6Mo涂層的2倍多。這表明，在高濃度堿以及高含砂量情況下316 L奧氏體不銹鋼的耐沖刷腐蝕性能不如0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層。

圖2 不銹鋼基件和涂層的微觀組織

表3 316L奧氏體基體和0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的顯微硬度/AV0.5

圖3 兩種材料沖刷腐蝕后的累計(jì)失重量 與堿濃度、含砂量以及流速的關(guān)系失重柱形圖

圖4為316L奧氏體不銹鋼和0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層兩種材料在1%的NaOH、5%的細(xì)砂、5 m/s的流速、經(jīng)過(guò)8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片。由圖4可以看出，兩種材料的沖刷腐蝕不很嚴(yán)重，基本上沒(méi)有發(fā)生塑性變形，316L不銹鋼腐蝕表面出現(xiàn)了相對(duì)較多的短而淺的顯微切削凹坑。相比較之下0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層表面只出現(xiàn)了相對(duì)較少的沖刷腐蝕凹坑。

從原理上來(lái)說(shuō)，奧氏體不銹鋼要比馬氏體不銹鋼耐腐蝕性好，但這里由于溶液的含堿量很少，氧去極化腐蝕發(fā)生的很緩慢，所以316L不銹鋼沒(méi)有體現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，再加上沖刷速度也較慢，兩者聯(lián)合作用很弱，故在這種條件下兩種材料的沖刷腐蝕損傷破壞較小。

圖4 1%的NaOH、5%的細(xì)砂、5 m/s的流速、經(jīng)過(guò)8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片

圖5為316L奧氏體不銹鋼和0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層2種材料在5%的NaOH、20%的細(xì)砂、20 m/s的流速、經(jīng)過(guò)8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片。由圖5中可以看出，316L不銹鋼的沖刷腐蝕表面比0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的沖刷腐蝕嚴(yán)重，316L奧氏體不銹鋼表面的塑性變形較大，且出現(xiàn)了短而深的切削凹坑和溝槽，而且還發(fā)生了由于砂粒的犁削作用而形成的犁溝，部分犁溝周圍有堆積物。相比較之下，由于0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的硬度值比316L不銹鋼高，所以在較大的機(jī)械沖擊力的作用下，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層表面幾乎沒(méi)有塑性變形。

圖5 5%的NaOH、20%的細(xì)砂、20 m/s的流速、經(jīng)過(guò)8h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片

在5%的NaOH溶液中O2的溶解量少，氧去極化反應(yīng)速度較慢[13]，故此時(shí)的腐蝕破壞以沖刷為主，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的硬度高于316L不銹鋼，所以316L不銹鋼的沖刷腐蝕破壞程度要比0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層嚴(yán)重。

2.2.2 酸性溶液條件下的沖涮腐蝕行為

圖6為316L奧氏體不銹鋼和0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層兩種材料經(jīng)過(guò)8h沖刷腐蝕后的累計(jì)失重量與酸濃度、含砂量以及流速的關(guān)系失重柱形圖。由圖6可以看出，當(dāng)酸濃度、含砂量和流速都

圖6 兩種材料沖刷腐蝕后的累計(jì)失重量 與酸濃度、含砂量以及流速的關(guān)系失重柱形圖

較小時(shí)，316L不銹鋼的累計(jì)失重為2.1 mg，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的累積失重量為1.2 mg。這表明在低濃度酸以及低含砂量情況下，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層材料的耐沖刷腐蝕性能比316L奧氏體不銹鋼好，但是優(yōu)越性不明顯；當(dāng)酸的濃度、含砂量和流速都較大時(shí)，相同的沖刷腐蝕時(shí)間，316L奧氏體不銹鋼的累計(jì)失重為169 mg，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的累積失重量為50.8 mg。316L奧氏體不銹鋼的累計(jì)失重量是0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的3倍多。這表明，在高濃度酸以及高含砂量情況下316L奧氏體不銹鋼的耐沖刷腐蝕性能不如0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層。

圖7為316L奧氏體不銹鋼和0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層2種材料在1%的酸、5%的細(xì)砂、5 m/s的流速、經(jīng)過(guò)8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片?？梢钥闯?，316L不銹鋼表面出現(xiàn)了短而深的切削溝槽和大部分凹坑兩側(cè)和前端出現(xiàn)了材料的堆積而且材料表面還發(fā)生了塑性變形，相比較之下0Cr13Ni6Mo不銹鋼材料表面并沒(méi)有發(fā)生塑性變形，只是出現(xiàn)了個(gè)別切削溝槽。從沖刷腐蝕形貌可以看出，0Cr13Ni6Mo不銹鋼材料耐沖刷腐蝕性好于316L不銹鋼。

圖7 1%的酸、5%的細(xì)砂、5 m/s的流速、經(jīng)過(guò)8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片

圖8為316L奧氏體不銹鋼和0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層兩種材料在5%的酸、20%的細(xì)砂、20 m/s的流速、經(jīng)過(guò)8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片?？梢钥闯?，316L不銹鋼表面大量的出現(xiàn)了長(zhǎng)而深的切削溝槽，而且由于砂粒的犁削作用而形成了犁溝和深的凹坑，因?yàn)楦g液的流速很快，沖擊力很大，316L不銹鋼的硬度低于0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層，所以316L不銹鋼在大的機(jī)械力的作用下，材料被擠壓到犁溝的兩側(cè)和前方形成剪切唇，在隨后的沖刷腐蝕沖擊下，剪切唇被固體顆粒切削掉[15]，如此反復(fù)，造成了嚴(yán)重的損耗。0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層表面也出現(xiàn)了切削犁溝，并且在部分溝槽前端也有材料堆積物出現(xiàn)，但是硬度相對(duì)較高，涂層表面的材料不易被沖刷堆積而切削掉。

圖8 5%的酸、20%的細(xì)砂、20 m/s的流速、經(jīng)過(guò)8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片

但此時(shí)的316L不銹鋼和0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的累計(jì)失重量與圖5中的5%的NaOH、20%的細(xì)砂、20 m/s的流速、經(jīng)過(guò)8 h的沖刷腐蝕條件下的累計(jì)失重量相比較，兩者除了酸堿溶液不一樣之外，其他條件是一樣的。但此時(shí)在酸中的累計(jì)破損量比在堿中增大了很多，316L不銹鋼增大了40倍，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層也增加了40倍，說(shuō)明在高濃度酸中，氫去極化腐蝕反應(yīng)得到了充分的進(jìn)行。腐蝕使得金屬表面變得疏松，出現(xiàn)更多孔洞，在機(jī)械力的作用下更容易變形，材料被固體顆粒沖刷擠壓到犁溝的前方和兩側(cè)從而形成剪切唇，在隨后的機(jī)械沖擊力的作用下，剪切唇被固體顆粒切削掉，如此反復(fù)，造成了嚴(yán)重的損耗。

3 結(jié)論

(1)在低濃度堿及低含砂量沖刷情況下，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的耐沖刷腐蝕性與316L奧氏體不銹鋼相當(dāng)；而在高濃度的酸堿及高含砂量情況下，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的耐沖刷腐蝕性能明顯優(yōu)異于316L奧氏體不銹鋼。

(2)在低濃度酸及低含砂量沖刷情況下，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的耐沖刷腐蝕性高于316L奧氏體不銹鋼，但優(yōu)勢(shì)不明顯；而在高濃度的酸堿及高含砂量情況下，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的耐沖刷腐蝕性能明顯優(yōu)于316L奧氏體不銹鋼。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：宋曉英)

On erosion-corrosion resistance of MIG welding 0Cr13Ni6Mo coating

YAO Xin-yang,GUO Xu-ming

(College of Materials Science and Engineering,Shenyang Aerospace University,Shenyang 110136,China)

The erosion-corrosion resistances of MIG welding 0Cr13Ni6Mo coating and 316L stainless steel in acid-base solution of sand particles have been studied systematically.The results show that in low concentration of acid-base solution and low solid concentration,erosion-corrosion resistance of 0Cr13Ni6MoMo coating is better than that of 316L stainless steel,but the advantage is not obvious;in high concentration of acid-base solution and high solid concentration,erosion-corrosion resistance of 0Cr13Ni6Mo coating performs much stronger than that of the 316L stainless steel.Erosion-corrosion experiments indicate that,due to its high hardness,the 0Cr13Ni6Mo coating performs good erosion-corrosion resistance.

316 L stainless steel;MIG welding;0Cr13Ni6Mo coating;erosion-corrosion

2014-12-15

姚新陽(yáng)(1989-)，男，遼寧莊河人，碩士研究生，主要研究方向：材料加工焊接技術(shù)方向，E-mail：897058884@qq.com;國(guó)旭明(1965-)，男，山東萊州人，博士，教授，主要研究方向：焊接冶金與焊接工藝，E-mail:guoxuming@sau.edu.cn。

2095-1248(2015)03-0031-06

TB37

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.03.006