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海洋环境液压油缸材料耐腐蚀性能的影响因素
摘要：通过查阅文献,分析比较,重点阐述了铸铁、碳钢和不锈钢在海洋中耐腐蚀性能的影响因素,通过分析比较总结出:在铸铁中加入微量的Cr、Ni合金元素能够提升防腐能力,在普通碳钢中加入Cr、Ni、Nb等元素形成保护膜,能够提升防腐蚀能力,低碳的双相不锈钢或者添加特殊添加剂的特殊钢才具有防腐作用,这为海洋油缸材料选择提供了借鉴,具有重要意义。
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人类进入21世纪面临人口膨胀、资源短缺、环境恶化等三大难题,而陆地资源开采将面临枯竭,因此需要向海洋拓展。当前,世界各国不断开展海洋探测与海洋资源采集,相应的海洋工程机械也将不断增多,如深海钻井船、深海起重机等,这些机械需要用到液压油缸。油缸作为深海设备一个重要部件,起着非常重要的作用,其质量将影响深海装备的使用寿命,在深海环境下对油缸材料的防腐提出了特殊要求,因此对深海环境油缸材料进行有效防腐研究不仅能够提高设备使用寿命,而且能够降低成本,具有十分重要的意义。
1、铸铁在海水中的耐蚀性能研究
古可成[1]等人利用全浸、半浸和间歇静态方式,将片状及球团状石墨的低合金耐海水腐蚀铸铁(分别简称HD铸铁和HDQ铸铁)分别在海盐溶液中做腐蚀对比试验,结果表明:两种材料都是间歇浸泡腐蚀失重最为严重,约为全浸泡时的2倍,但HDQ球铁的耐蚀性较HD铸铁耐蚀性提高1倍左右,其原因是在HDQ铸铁表面形成了一层较HDQ铸铁更为完整、致密的保护膜,这是HDQ系列铸铁保护膜的主要特征。
郁春娟[2]等人对21种合金铸铁和铸造不锈钢在海水中的耐蚀性进行了研究,结果表明:高Ni铸铁在海水中有较好的耐蚀性,Cr-Sb-Cu铸铁好于灰口铸铁,Cr、Mo铸造不锈钢在海水中有较好的耐蚀性,由此说明加入微量合金元素的铸铁有利于提升耐蚀性。付圣华[3]等人在从事耐海水腐蚀合金铸铁的研究中,发现了某些合金铸铁加入特殊变质剂,经海水腐蚀后,在其表面锈层下面较快自发地形成一层自生保护膜,从而明显改善铸铁的耐海水腐蚀性;崔君军[4]等人在球墨铸铁中加入不同含量的Cr、Ni合金系,结果表明Cr、Cu、Si等在材料表明形成一层薄且紧密附着的钝化膜,有利于提高合金铸铁的耐蚀性。
从以上研究表明,在铸铁冶炼中如果加入微量的Cr、Ni等合金元素,能够形成一层致密保护膜,从而提高铸铁在海水的耐蚀性能,提高了海洋环境使用设备的寿命,降低了成本。
2、钢在海水中的耐蚀性能
于美[5]等人在干湿交替气氛条件下对23Co14Ni12Cr3Mo超高强钢在海水模拟环境下的腐蚀行为进行了研究,结果表明:在模拟环境加速腐蚀实验中,23Co14Ni12Cr3Mo超高强钢腐蚀产物有两层腐蚀产物,外层锈层γ-FeOOH和内层锈层α-FeOOH,通过模拟三种海水环境,发现干湿交替环境中的耐腐蚀性最差,盐雾腐蚀实验中次之,全浸腐蚀环境耐腐蚀性最好;研究表明腐蚀均是从点蚀开始,慢慢扩大,由局部腐蚀逐渐发展成全腐蚀。
尹力[6]等人在研究Q235钢在海水及海水淡化一级RO产水中的腐蚀特性,结果表明:随时间的延长,Q235钢在海水中的腐蚀速度下降,并趋于稳定,而在一级RO产水中的腐蚀速度逐渐上升,并维持于高位;Q235钢在两种水体中的腐蚀产物,组分相同,但各组分的相对含量及变化趋势有很大差异;一级RO产水中,Q235钢生成的腐蚀产物为球状颗粒,没有海水中产生的针状腐蚀产物致密;一级RO产水的弱酸性促进“FeOOH”迅速转化为导电氧化物Fe3O4,生成的锈层不连续,不能阻碍氧扩散过程的进行,这是导致Q235钢高速腐蚀的主要原因,此外,Q235钢在海水和一级RO产水中的腐蚀产物均为双层结构,并且其成分相同:外层为橙黄色的γ-FeOOH少量的α-FeOOH,内层为黑色的Fe3O4。
张思勋[7]等人在研究高强度、高韧性和耐海水腐蚀性的海洋工程用钢,对含磷超低碳贝氏体钢的组织、力学性能和耐海水腐蚀性分别进行了研究,结果表明:当超低碳贝氏体钢中磷的质量分数提高至0.09%时能够产生较强的固溶强化作用,而对室温至-40℃范围内的低温冲击韧性影响不大,这归因于钢中C,B原子在原始奥氏体晶界通过竞争机制抑制了P的偏聚,减弱了P产生的冷脆性,与无磷和低磷含量超低碳贝氏体钢相比,高磷含量超低碳贝氏体钢在3.5%NaC1溶液中全浸腐蚀速率明显降低, Cu、P的复合作用促进了致密的内锈层的形成,有效阻止了Cl-的进一步侵蚀。
王婷[8]等人研究了Q345E钢在模拟海水溶液中的腐蚀行为,研究表明:Q345钢在模拟海水溶液( 3.5% NaC1)中的腐蚀行为,腐蚀初期腐蚀介质充足且发生吸氧腐蚀使Q345E钢的腐蚀速率较大,随着浸泡腐蚀时间的延长及腐蚀产物的附着,腐蚀速率逐渐减小,在腐蚀后期因附着产物脱落而增大。聂中萍[9]等在Nb微合金化对低合金高强钢耐海水腐蚀性能的影响进行了研究,结果表明:含Nb钢与不含Nb钢组织均由铁素体和珠光体构成,但Nb微合金化后钢中珠光体组织减少且晶粒细化明显,其在模拟海水介质中的平均腐蚀速率与不含Nb钢相比,降低了约12%,阳极腐蚀电流密度也有所降低,由此可见,在Cu-Cr-Ni-P系低合金高强钢中加Nb元素有助于提高其耐海水腐蚀性能。
王小燕[10]等人在几种典型耐海水钢耐点蚀性能的比较研究中发现在酸化的蚀坑内,Cr可降低钢基体的电位,从而促进蚀坑的扩展;而Ni的添加则提高钢基体的电位,从而有助于降低钢的点蚀扩展速度。周德歧[11]等人在淬火温度对42CrMo钢在人造海水中应力腐蚀敏感性影响的研究中发现,42CrMo钢在人造海水中的应力腐蚀是具有氢脆性的。通过亚温淬火,使其得到马氏体加少量铁素体的组织,可改善氢致开裂敏感性。
由此表明,在钢类材料表面如果能够形成致密保护膜阻止氧的扩散将提供材料的耐腐蚀性能,因此在钢中加入Cr、Ni、Nb能够达到这一目的。
3、不锈钢在海水中的耐蚀性能
不锈钢的耐蚀性是通过其表面产生钝化膜来实现的,金铎[12]等人在船用高强度双相不锈钢的耐海水腐蚀性能研究中发现高强度双相不锈钢的耐海水腐蚀性能更佳;闵正清[13]等人研究了海水环境中铸造双相不锈钢的腐蚀行为,发现了不同组成的不锈钢在不同区域的腐蚀速率不同,这主要是不同区域海水的成分、PH值、流速等存在差异造成的;周波[14]在新型耐海水腐蚀不锈钢的研究发现通过合金元素优化配方、优化热处理等方式能够有效提升材料的耐蚀能力;冯丽[15]等人在海洋环境下不锈钢材料耐腐蚀性能的试验研究中选取碳钢结合耐高温涂层、06Cr18Nil1Ti、14Crl7Ni2、00Cr22Ni5Mo3N共四种材进行了实验,结果表明:三种不锈钢试样的腐蚀失重量比较接近,都不到碳钢结合耐高温涂层试样的腐蚀失重量的10%,00Cr22Ni5Mo3N的耐腐蚀性最好,06Crl8Nil1Ti略逊于00Cr22Ni5Mo3N,14Cr17Ni2更逊于06Cr18Nil1Ti,由此说明含碳量越低,耐腐蚀性越好。
目前,国内外用于海洋的不锈钢,一类是低强度钢,耐海水腐蚀性能好,但强度低,特别是屈服强度低,一般不超过500 MPa;另一类为沉淀硬化不锈钢,虽有较高的强度,但耐海水腐蚀性能差。该技术利用马氏体时效不锈钢的优异的力学性能,调整了钢中合金元素,克服了普通马氏体时效不锈钢耐海水腐蚀性能差以及一般不锈钢强韧性低的缺点,研制出一种既具有高的强韧性,又有优良的耐海水腐蚀性能和良好的可焊性的新型马氏体时效不锈钢,并建立了合理的热处理规范。
4、结语
海水的成分十分复杂,除氢和氧外,还含有钠、镁、硫、钙、钾、溴、碳、鳃、硼、氟10种常量元素和金、银、镉、铁、钼、钾、铀、碘等微量元素,而且含有对腐蚀性影响较大的Cl-、SO2−4、Br-、HCO-3(CO2−3)、F-阴离子,因此对油缸组件材料提出了很高的要求,传统45号钢、无缝冷轧钢、27SiMn已不能满足要求;由于海水腐蚀性与海水溶解氧浓度、海水深度、海水PH值、海水流速、海水中微生物含量等有关,因此需要根据具体情况而定,由于液压油缸处于运动中,传统的在普通钢材外以覆盖油漆的形式不能达到有效的防腐要求,研究表明,在铸铁中加入微量的Cr、Ni合金元素能够提升防腐能力,在普通碳钢中加入Cr、Ni、Nb等元素形成保护膜,能够提升防腐蚀能力,低碳的双相不锈钢或者添加特殊添加剂的特殊钢才具有防腐作用。为了降低成本,除在材料选择上予以特殊考虑外,亦可采用特殊工艺制造油缸组件,即不与海水接触零件采用常用油缸材料,与海水接触的零件采用低碳双相不锈钢或者加入微量元素的铸铁或者碳钢。
参考文献：
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期刊名称：华北水利水电大学学报(自然科学版)
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主管单位：河南省教育厅
主办单位：华北水利水电大学
出版地方：河南
专业分类：水利
国际刊号：2096-6792
国内刊号：41-1432/TV
创刊时间：1980年
发行周期：双月刊
期刊开本：大16开
见刊时间：10-12个月
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2020-06-23
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