海水閥門(mén)金屬材料的耐磨防腐及腐蝕磨損的技術(shù)一體化研究

胡寒冰 陳中一

摘要：由于海水閥門(mén)在海洋環(huán)境中長(zhǎng)期服役，其工程材料遭受損傷腐蝕在所難免，海水閥門(mén)作為海洋工程/系統(tǒng)中一種重要的運(yùn)轉(zhuǎn)部件面臨著嚴(yán)重的磨損及腐蝕等耦合損傷，因此，本文針對(duì)海水環(huán)境下海水閥門(mén)金屬材料磨損腐蝕實(shí)效的行為及其機(jī)理進(jìn)行分析，并且進(jìn)行系列防腐、磨損一體化技術(shù)的對(duì)比，對(duì)磨損防腐一體化材料優(yōu)化磨損防腐性能機(jī)理進(jìn)行分析，為海水閥門(mén)磨損防腐問(wèn)題的解決提供參考。

關(guān)鍵詞：海水閥門(mén)；金屬材料；磨損腐蝕；一體化技術(shù)

隨著我國(guó)海洋工程建設(shè)海洋裝備的不斷發(fā)展，海洋平臺(tái)、養(yǎng)殖平臺(tái)、潛水設(shè)備等海工設(shè)施與裝備，成為海洋國(guó)防及經(jīng)濟(jì)建設(shè)的重要組成部分。由于海洋裝備需要在海洋環(huán)境中長(zhǎng)時(shí)間工作，與其相關(guān)的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)勢(shì)必遭受磨損腐蝕。因此對(duì)進(jìn)行海水閥門(mén)材質(zhì)磨損腐蝕以及相互作用等問(wèn)題給予充分認(rèn)識(shí)，積極進(jìn)行有效抗蝕耐磨材料和一體化防護(hù)技術(shù)的研發(fā)，成為海洋設(shè)備可靠、安全運(yùn)行的重要保障。

1、產(chǎn)生腐蝕磨損的主要因素

1.1介質(zhì)的影響

影響材料的腐蝕性能主要因素包括介質(zhì)的濃度、PH值及其溫度等，同時(shí)也是影響材料磨損腐蝕性能的重要因素。腐蝕介質(zhì)不僅具有腐蝕作用，同時(shí)也可通過(guò)反應(yīng)生成具有腐蝕性的新物質(zhì)腐蝕磨損材料。

1.2材料的影響

材料的微觀組織、化學(xué)成分、塑性、硬表面的粗糙度等是對(duì)材料的磨蝕性能產(chǎn)生影響的重要因素。所以，抗蝕耐磨一體化的材料應(yīng)當(dāng)具有優(yōu)越的腐蝕抗力和耐磨性能，需要綜合優(yōu)化材料的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分等，決定材料磨損腐蝕以及磨損性能的重要因素是材料本身的力學(xué)性能、組織結(jié)構(gòu)等。材料本身耐腐蝕、耐磨損的性能良好，才能在磨損腐蝕的環(huán)境中應(yīng)用。

2特殊金屬材料磨損腐蝕因素的影響

2.1介質(zhì)的影響

通過(guò)對(duì)304型不銹鋼的磨損腐蝕造成的損傷行為及其機(jī)理受PH值、腐蝕介質(zhì)的濃度影響的深入研究，發(fā)現(xiàn)氯離子的濃度增加則會(huì)顯著增加304型不銹鋼局部腐蝕的敏感性，特別是點(diǎn)蝕的敏感性。因此304型不銹鋼磨蝕中及靜態(tài)腐蝕損傷程度增大。但是，在氯離子的濃度不斷升高的情況下，將會(huì)明顯降低304/AL2O3磨損率及磨損系數(shù)，并且磨損的表面逐漸光滑，則說(shuō)明在氯化物潤(rùn)滑性能的作用下，磨損受腐蝕的影響程度逐漸減弱。所以，腐蝕溶濃度的提高，可使磨損腐蝕中腐蝕和純機(jī)械性磨損大大降低，該研究指明了金屬材料抗蝕耐磨新的研究方向。

2.2電化學(xué)的影響

在防護(hù)腐蝕技術(shù)中應(yīng)用比較廣泛的一種方法是犧牲陽(yáng)極陰極保護(hù)法，該種方法是先給需要保護(hù)的金屬材料進(jìn)行陰極電流的施加，向輔助的陽(yáng)極進(jìn)行陽(yáng)極電流的施加，從而構(gòu)成腐蝕電流，該方法是強(qiáng)制電流的方法。所以，外加的電位具有防護(hù)材料磨損腐蝕的作用，而該種方法關(guān)鍵因素則是外加電位。由實(shí)驗(yàn)證明，純化膜點(diǎn)蝕的電位高于外加電位時(shí)，由于磨損腐蝕相互交互，明顯增加材料總損失；當(dāng)點(diǎn)蝕電位低于外加電位時(shí)，則抑制材料腐蝕，所以材料損失主要是鈍性機(jī)械的磨損。

2.3材料的影響

耐磨性、耐腐蝕性、硬度等材料本征物性是對(duì)材料的磨損腐蝕性能產(chǎn)生影響的重要因素，所以不同的金屬材料磨損腐蝕性能的對(duì)比，成為海水閥門(mén)選材的重要技術(shù)依據(jù)。通過(guò)測(cè)試各種金屬材料磨損腐蝕結(jié)果可知，同馬氏體的不銹鋼相比，奧氏體的不銹鋼更加適用于具有腐蝕性的海水環(huán)境閥門(mén)部件比如，304和316L兩種類型的不銹鋼相比，316L的腐蝕損傷性能明顯降低，同時(shí)腐蝕加速時(shí)明顯降低其磨損損傷。另外，奧氏體和鐵素體2205型雙相鋼同單一的奧氏體型不銹鋼相比，其閥門(mén)腐蝕抗力明顯提高，腐蝕介質(zhì)中閥門(mén)服役壽命明顯延長(zhǎng)。比如，2205型雙相鋼腐的磨損損傷約占材料11.6%總損傷，而304型不銹鋼約占材料20%的總損傷，所以，耐腐蝕性的提高可使因腐蝕、加速損傷等明顯降低。對(duì)于鈦合金和不銹鋼來(lái)說(shuō)，鈦合金抗蝕耐磨性能更加優(yōu)異。

3防腐耐磨技術(shù)一體化研究

3.1PVD防腐耐磨技術(shù)

在遠(yuǎn)海或者深海作業(yè)中進(jìn)行系統(tǒng)補(bǔ)給維護(hù)的難度較大，所以閥門(mén)的穩(wěn)定性及其可靠性具有加高的要求，需要進(jìn)行防腐耐磨一體化的防護(hù)技術(shù)強(qiáng)化處理。對(duì)于諸如TiN GLC CrN進(jìn)行PVD 涂層，通過(guò)對(duì)腐蝕-磨損之間交互作用的機(jī)制實(shí)施研究，構(gòu)建結(jié)構(gòu)致密、界面多層次高承載、阻礙腐蝕通道涂層材料，進(jìn)行系列集耐磨損、低摩擦、防腐蝕等性能于一體的耐蝕抗磨的材料，促使金屬材料抵御腐蝕的性能進(jìn)一步改善。

與金屬材料相比，明顯提高了PVD涂層硬度，比如約為2000HV維氏硬度的CrN涂層，2800HV的TiN涂層，2500HV的類金剛石、均低于300HV的2205型雙相鋼及316L等，所以以耐磨性與硬度之間的正比關(guān)系為依據(jù)，進(jìn)行高硬度性能PVD防腐耐磨一體化的涂層金屬材料機(jī)械磨損的抗力顯著提高的推測(cè)，實(shí)驗(yàn)表明，CrN涂層的機(jī)械磨損為41.2%總磨損腐蝕的損失量，同金屬材料相比提升幅度較大。因此，材料硬度的提高是金屬材料的機(jī)械磨損進(jìn)一步改善的重要手段。

針對(duì)體系不同的PVD防腐耐磨一體化的涂層進(jìn)一步實(shí)施分析對(duì)比，TiN、GLC、CrN涂層金屬材料相關(guān)的性能均得到有效改善。比如316型不銹鋼磨損防腐性能。海水中CrN涂層中，Cr2N/CrN的結(jié)構(gòu)涂層潤(rùn)滑減磨的作用更加凸顯。另外，加入Si、C等元素CrN涂層磨損率及摩擦系數(shù)均降低，特別是Si為1.44%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，C元素為5.72%時(shí)，CrN涂層磨損摩擦均得到明顯改善。所以，四元及三元體系的CrN涂層在金屬材料磨損防腐性能充分發(fā)揮中起到重要的作用。

3.2熱噴涂防腐耐磨技術(shù)

在鎳基涂層中，由于金屬鎳為主要材料，因此其耐腐蝕性比較好，但是具有耐磨性能較差、硬度低等不足之處。所以，在日常工作中，通常采取對(duì)設(shè)備的WC陶瓷用等離子進(jìn)行噴涂，促使鎳基復(fù)合的涂層增強(qiáng)，并對(duì)海水工況中涂層耐磨蝕性進(jìn)行研究。WC增強(qiáng)的陶瓷鎳基復(fù)合的涂層組成部分主要包括帶狀相和連續(xù)相，分別為碳化鎢和固溶體y-Ni。由海水工況中的磨蝕試驗(yàn)可知，同316L型不銹鋼相比，該涂層磨損率和摩擦系數(shù)約低于兩個(gè)數(shù)量的等級(jí)。證明該涂層耐磨蝕的性能比較好，可對(duì)316L型不銹鋼進(jìn)行表面防護(hù)。

3.3電鍍技術(shù)

在電鍍涂層中，鎳鍍層的應(yīng)用比價(jià)典型，是當(dāng)代工業(yè)應(yīng)用比較廣泛的一種涂層方式，同樣金屬耐磨蝕的問(wèn)題有待解決。試驗(yàn)證明，當(dāng)晶粒的尺寸由50nm逐漸減少到5nm時(shí)，會(huì)不斷增強(qiáng)鍍層耐腐蝕性，非晶型鎳鍍層達(dá)到最好耐腐蝕性；非晶型納米晶的涂層其耐腐蝕性位于20nm-50nm之間，同大尺寸的納米晶相比，其耐腐蝕的性能較為優(yōu)越。另外，晶粒尺寸的不同，其鎳鍍層硬度分別為50nm>20nm>非晶>非晶/納米晶>5nm。所以，非晶化和晶粒細(xì)化可使鍍層耐腐蝕性和硬度提高。

4、一體化技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用

在船舶行業(yè)中，沖蝕產(chǎn)生的磨損廣泛存在，沖蝕磨損可使設(shè)備失效加速，致使閥門(mén)頻繁更換、維修，增加經(jīng)濟(jì)損失，所以，耐沖蝕防腐的特種涂層的研發(fā)和使用，可使閥門(mén)使用壽命大大延長(zhǎng)，生產(chǎn)成本降低。某工程和材料技術(shù)研究所針對(duì)企業(yè)生產(chǎn)中海水閥門(mén)所遇到具有腐蝕性的沖蝕問(wèn)題，通過(guò)對(duì)力學(xué)性能設(shè)計(jì)、以及耐化學(xué)、耐高溫腐蝕改性高分子的樹(shù)脂材料，篩選及級(jí)配耐磨性、高硬度的陶瓷顆粒，同石墨烯、聚醚醚酮纖維、碳纖維等填充材料防腐性及力學(xué)相結(jié)合，具有協(xié)同防腐耐沖功能。該防腐耐蝕涂層的研制在企業(yè)生產(chǎn)中得到示范性應(yīng)用，取得的經(jīng)濟(jì)效益及社會(huì)效益良好。

參考文獻(xiàn)：

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