酸蝕條件下鑄態(tài)Cr22沖蝕磨損特性研究

姚秀榮，焦黎明，劉兆晶，戴云婷，張洪偉

（哈爾濱理工大學，黑龍江哈爾濱 150040）

酸蝕條件下鑄態(tài)Cr22沖蝕磨損特性研究

姚秀榮，焦黎明，劉兆晶，戴云婷，張洪偉

（哈爾濱理工大學，黑龍江哈爾濱 150040）

本文通過對不同碳含量的鑄態(tài)Cr22進行性能測試及組織觀察，研究了其組織與性能之間的關系；通過對比試驗，研究了材料在酸性條件下耐沖蝕磨損特性。在酸性條件下，耐沖蝕磨損特性體現出基體與碳化物交替剝落，酸性腐蝕居主導地位，磨損居次要地位的特性。含碳量1.31%Cr22材料的耐沖蝕磨損性能最佳。

鑄態(tài)Cr22；組織和性能；沖蝕磨損

目前多數電站采取漿液脫硫的辦法去除SO2[1-6]。脫硫用工件服役條件較為惡劣，以渣漿泵為例，其過流部件在酸性沖蝕條件下服役，易于損毀[7]。目前，對于高合金鋼材料以及鐵葉輪的報道多集中于耐磨性的應用[8-10]，同時對耐蝕耐磨進行研究的報道較少。

Cr22是一種應用在渣漿泵上的葉輪材料，含有較高的Cr、Ni等合金元素，是一種高鉻高鎳的耐蝕耐磨材料。本文通過對Cr22材料的C含量進行調整，研究其組織和性能，通過對比試驗的方法，對這種材料在酸性條件下的耐沖蝕磨損性能進行探索研究，積累數據，拓展其使用范圍。

1 材料制備及測試方法

采用感應熔煉的方法制備Cr22材料。熔煉制備碳含量不同的Cr22材料的目標成分見表1。

表1 不同碳含量Cr22材料的化學成分 (%)

熔煉設備為6WJ-0.25中頻無芯感應熔煉爐，測溫使用XMTⅡ-101型快速測溫儀。

1.2 組織觀察及性能測試

1.2.1 性能測試

（1）硬度測試：材料的洛氏硬度測定在HR-150DT型電動洛氏硬度計上完成。

（2）沖擊試驗：沖擊韌性在JBN-300B型沖擊試驗機上測定。

1.2.2 組織觀察

采用OLYMPUS GX71倒置式金相顯微鏡對材料進行金相組織觀察；在FEI Sirsion掃描電子顯微鏡上進行腐蝕形貌及磨損形貌觀察。

1.3 酸性沖蝕試驗條件及設備

綜上所述,個體化營養(yǎng)支持治療能夠根據患者的機體情況,給予患者適合的營養(yǎng)支持治療,臨床效果顯著,值得推廣應用。

酸性沖蝕試驗在自制沖蝕磨損試驗機上進行，試驗裝置如圖1。該裝置由漿料罐、機械傳動系統(tǒng)、裝夾系統(tǒng)三部分組成，其電機轉速為1410r/ min，卡盤轉速為940r/min。漿料條件為1000目的石灰石-石膏漿液、固體物100～200g/L、pH4～5、40℃～60℃。硫酸環(huán)境：Cl-濃度10000～15000mg/L。

圖1 自制磨損試驗裝置示意圖

在相同條件下，Cr22與選用的對比材料同時進行試驗。每10h將試樣取出清洗、稱重及觀察表面形貌。

2 鑄態(tài)Cr22組織性能與沖蝕試驗結果

2.1 鑄態(tài)Cr22金相組織觀察

不同碳含量的鑄態(tài)Cr22材料的金相組織照片如圖2所示。Cr22材料組織為奧氏體基體+共晶萊氏體。隨含碳量的不斷增加，萊氏體不斷增加，奧氏體基體逐漸減少。

圖2 鑄態(tài)Cr22金相組織照片

2.2 力學性能測試結果

對不同碳含量Cr22材料進行洛氏硬度和沖擊韌性測試，結果見圖3所示。在碳含量由低到高的變化過程中，材料的硬度逐漸增加，沖擊韌性逐漸降低。

圖3 不同碳含量鑄態(tài)Cr22硬度及沖擊韌性結果對比圖

2.3 沖蝕磨損形貌及試驗結果

對C含量分別為0.11%，1.31%，2.81%三種Cr22及對比材料同時進行酸性條件下的沖蝕磨損試驗，試驗時間為80h，沖蝕磨損速率曲線見圖4所示。

各種材料不同時刻沖蝕磨損后的表面形貌SEM如圖5所示(圖a ：0h，b：50h，c：80h)。

3 試驗結果分析

圖4 酸性介質中沖蝕磨損速率曲線圖

由圖2可知，Cr22材料組織為奧氏體基體+共晶萊氏體，當碳含量為0.11%時，組織中含有大量的奧氏體和少量的萊氏體。隨含碳量的不斷增加，萊氏體不斷增加，奧氏體基體逐漸減少，變化極為明顯，當碳含量達到2.81%時，奧氏體含量已經極少，大部分都是六邊形的一次共晶碳化物，其金相組織由圖a到圖b再到圖c，是一個漸變的過程。

由圖3可知，在碳含量由低到高的變化過程中，由于碳含量增加，硬脆相碳化物逐漸增多，韌性好的奧氏體基體減少，所以材料的硬度逐漸增加，沖擊韌性逐漸降低。

從圖4可知，在酸性介質中，沖蝕磨損速率從高至低依次為Cr18W2，C0.11%Cr22，C2.81%Cr22，1Cr18Ni9Ti，C1.31%Cr22。說明在酸性介質沖蝕條件下，在試驗材料中Cr18W2抗沖蝕磨損性能最差，碳含量為1.31%Cr22性能最佳。

圖5為對比材料不同時刻的酸蝕沖蝕表面形貌，由此可分析材料失效形式。圖5-1中的對比材料是1Cr18Ni9Ti，為典型的不銹鋼，耐蝕性能優(yōu)良；其組織為奧氏體，腐蝕界面極少，但耐磨性不高，基體是被漿料沖刷而層層剝落，從沖蝕磨損開始到80h試驗結束，材料表面一直較為平坦。圖5-2為對比材料Cr18W2高鉻鑄鐵，材料組織為馬氏體和碳化物，耐磨損性能很高。但Cr18W2中馬氏體基體不耐腐蝕，優(yōu)先被腐蝕掉，使抗磨的碳化物裸露出來，在卡盤高速旋轉運動下，失去基體支撐的碳化物很快被沖刷掉，崩塌脫落，這樣又使馬氏體基體裸露在外，而隨著酸蝕和沖蝕磨損同時有序進行，馬氏體基體與碳化物快速交替脫落，所以其酸蝕條件下沖蝕磨損速率最大。最后造成材料表面粗糙、碳化物顆粒在表面明顯突出的形貌。在試驗結果的曲線圖中，Cr18W2高鉻鑄鐵在酸性介質中沖蝕磨損速率曲線遠在1Cr18Ni9Ti不銹鋼之上，說明酸性介質下的沖蝕磨損是以酸蝕作為主導的失效方式，而磨損加速了材料的失效。

圖5 Cr22沖蝕磨損表面SEM

圖5-3、4、5為三種不同含碳量的Cr22材料不同時刻的酸蝕沖蝕表面形貌，材料組織為奧氏體基體和碳化物。Cr22材料失效過程與Cr18W2類似，是交替脫落過程，但由于Cr22材料基體是奧氏體，所以耐酸蝕沖蝕磨損性能比Cr18W2優(yōu)良。圖5-3中材料為C0.11%Cr22，由于材料中有少量的碳化物存在，與1Cr18Ni9Ti相比增加了腐蝕界面，使其耐蝕性有所降低，腐蝕界面前沿的奧氏體在酸蝕、沖蝕的作用下首先受損，使整個基體變得易于被剝落，其少量的碳化物浮凸起來。當奧氏體被剝落極多，少量碳化物失去基體保護才被沖刷掉，如是往復，逐漸形成了表面比較平坦略有浮凸的表面形貌。其耐沖蝕磨損性能由于腐蝕界面的增加較1Cr18Ni9Ti略差。圖5-4中材料為C1.31%Cr22，該材料中奧氏體和共晶萊氏體分布較為平均，相對較多的耐磨碳化物鑲嵌在大量耐蝕的奧氏體基體中，在酸蝕和磨損的雙重作用中它們相互依賴。雖然腐蝕界面增加，但由于奧氏體基體較為耐蝕，故腐蝕速率不快，奧氏體基體能長時間地把碳化物鑲嵌在基體中，同時由于有數量頗多的碳化物，在漿料和磨料沖刷基體時，浮凸出的碳化物又起到了很好的抗沖抗磨作用，使基體不易被沖刷掉，最終形成了表面高低不平有大量浮凸的形貌。碳含量為1.31%的Cr22材料在奧氏體和碳化物交替脫落狀況下，其交替脫落的速度最慢，在這幾組材料中其耐酸性沖蝕磨損性能表現最佳。圖5-5中材料為C2.81%Cr22，同其他碳含量的Cr22材料相比，組織中大部分為共晶萊氏體，碳化物較多，奧氏體基體很少。材料存在著大量的腐蝕界面，由于奧氏體很少，一旦奧氏體被腐蝕掉，大量碳化物將極易坍塌脫落。但又由于極大量的碳化物使其耐磨性能提高，增強了其抵抗?jié){料沖刷的能力。在兩者的綜合作用下形成了表面不平、溝痕明顯、大塊浮凸的形貌。在奧氏體和碳化物交替脫落的過程中由于碳化物大塊掉落，使其失重量較大，耐沖蝕磨損性能也不突出。

綜上所述，Cr22材料隨碳含量變化，組織和性能都有明顯變化。在酸性條件下的沖蝕磨損試驗中，漿料對試驗材料的酸蝕影響占主導地位，但酸蝕影響和磨損作用都不可忽視，碳含量為0.11%的Cr22材料，由于碳化物少而不夠耐磨。碳含量為2.81%的Cr22材料，又由于奧氏體基體少使得碳化物容易脫落。碳含量為1.31%Cr22材料最有利于在酸性沖蝕條件下使用。

4 結論

（1）鑄態(tài)Cr22的組織為奧氏體+共晶萊氏體；隨著碳含量的增加，組織中奧氏體的數量越來越少，共晶萊氏體及碳化物的數量越來越多；材料的硬度逐漸增高，沖擊韌性不斷降低。

（2）沖蝕磨損試驗表明酸性漿料對試驗材料的酸蝕影響大于磨損，是酸蝕占主導地位的沖蝕磨損。

（3）沖蝕磨損結果表明三種不同含碳量的Cr22中，碳含量為1.31%的Cr22抗沖蝕磨損性能最佳。

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Researches on Erosion and Abrasion Features of As-Cast Cr22 in Acidic Conditions

YAO XiuRong, JIAO LiMing, LIU ZhaoJing, DAI YunTing, ZHANG HongWei

( Haerbin University of Science and Technology, Haerbin 150040, Heilongjiang China )

The microsructure and properties and the relationship between them have been reaserched by using mechanics property test and metalographic structure observation on as-cast Cr22 material of different carbon content. The material feature of resistance to erosion and abrasion in acidic conditions has been reserached by comparison test, which has reflected that acid corrosion damage accounted for the main and abrasion damage effect could not be ignored. Material’s etching and erosion feature expressed as the phenomenon that the matrix and carbrid alternately f aked off. The best overall performance was of the medium carbon content Cr22 material with carbon content 1.31%.

As-cast Cr22; Microstructure and property; Erosion and abrasion

TG144；

A；

1006-9658（2012）05-0011-4

2012－07－14

稿件編號：1207－086

姚秀榮（1963-），女，研究方向：耐蝕耐磨材料及耐熱鋼研究