海水閥門金屬材料的耐磨防腐及腐蝕磨損的技術一體化研究

胡寒冰 陳中一

摘要：由于海水閥門在海洋環境中長期服役，其工程材料遭受損傷腐蝕在所難免，海水閥門作為海洋工程/系統中一種重要的運轉部件面臨著嚴重的磨損及腐蝕等耦合損傷，因此，本文針對海水環境下海水閥門金屬材料磨損腐蝕實效的行為及其機理進行分析，并且進行系列防腐、磨損一體化技術的對比，對磨損防腐一體化材料優化磨損防腐性能機理進行分析，為海水閥門磨損防腐問題的解決提供參考。

關鍵詞：海水閥門；金屬材料；磨損腐蝕；一體化技術

隨著我國海洋工程建設海洋裝備的不斷發展，海洋平臺、養殖平臺、潛水設備等海工設施與裝備，成為海洋國防及經濟建設的重要組成部分。由于海洋裝備需要在海洋環境中長時間工作，與其相關的運動系統勢必遭受磨損腐蝕。因此對進行海水閥門材質磨損腐蝕以及相互作用等問題給予充分認識，積極進行有效抗蝕耐磨材料和一體化防護技術的研發，成為海洋設備可靠、安全運行的重要保障。

1、產生腐蝕磨損的主要因素

1.1介質的影響

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

1.2材料的影響

材料的微觀組織、化學成分、塑性、硬表面的粗糙度等是對材料的磨蝕性能產生影響的重要因素。所以，抗蝕耐磨一體化的材料應當具有優越的腐蝕抗力和耐磨性能，需要綜合優化材料的微觀結構和化學成分等，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性能、組織結構等。材料本身耐腐蝕、耐磨損的性能良好，才能在磨損腐蝕的環境中應用。

2特殊金屬材料磨損腐蝕因素的影響

2.1介質的影響

通過對304型不銹鋼的磨損腐蝕造成的損傷行為及其機理受PH值、腐蝕介質的濃度影響的深入研究，發現氯離子的濃度增加則會顯著增加304型不銹鋼局部腐蝕的敏感性，特別是點蝕的敏感性。因此304型不銹鋼磨蝕中及靜態腐蝕損傷程度增大。但是，在氯離子的濃度不斷升高的情況下，將會明顯降低304/AL2O3磨損率及磨損系數，并且磨損的表面逐漸光滑，則說明在氯化物潤滑性能的作用下，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電化學的影響

在防護腐蝕技術中應用比較廣泛的一種方法是犧牲陽極陰極保護法，該種方法是先給需要保護的金屬材料進行陰極電流的施加，向輔助的陽極進行陽極電流的施加，從而構成腐蝕電流，該方法是強制電流的方法。所以，外加的電位具有防護材料磨損腐蝕的作用，而該種方法關鍵因素則是外加電位。由實驗證明，純化膜點蝕的電位高于外加電位時，由于磨損腐蝕相互交互，明顯增加材料總損失；當點蝕電位低于外加電位時，則抑制材料腐蝕，所以材料損失主要是鈍性機械的磨損。

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材料的磨損腐蝕性能產生影響的重要因素，所以不同的金屬材料磨損腐蝕性能的對比，成為海水閥門選材的重要技術依據。通過測試各種金屬材料磨損腐蝕結果可知，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境閥門部件比如，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，同時腐蝕加速時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，其閥門腐蝕抗力明顯提高，腐蝕介質中閥門服役壽命明顯延長。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。對于鈦合金和不銹鋼來說，鈦合金抗蝕耐磨性能更加優異。

3防腐耐磨技術一體化研究

3.1PVD防腐耐磨技術

在遠?；蛘呱詈Ｗ鳂I中進行系統補給維護的難度較大，所以閥門的穩定性及其可靠性具有加高的要求，需要進行防腐耐磨一體化的防護技術強化處理。對于諸如TiN GLC CrN進行PVD 涂層，通過對腐蝕-磨損之間交互作用的機制實施研究，構建結構致密、界面多層次高承載、阻礙腐蝕通道涂層材料，進行系列集耐磨損、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系為依據，進行高硬度性能PVD防腐耐磨一體化的涂層金屬材料機械磨損的抗力顯著提高的推測，實驗表明，CrN涂層的機械磨損為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械磨損進一步改善的重要手段。

針對體系不同的PVD防腐耐磨一體化的涂層進一步實施分析對比，TiN、GLC、CrN涂層金屬材料相關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的結構涂層潤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均降低，特別是Si為1.44%的質量分數，C元素為5.72%時，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揮中起到重要的作用。

3.2熱噴涂防腐耐磨技術

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，通常采取對設備的WC陶瓷用等離子進行噴涂，促使鎳基復合的涂層增強，并對海水工況中涂層耐磨蝕性進行研究。WC增強的陶瓷鎳基復合的涂層組成部分主要包括帶狀相和連續相，分別為碳化鎢和固溶體y-Ni。由海水工況中的磨蝕試驗可知，同316L型不銹鋼相比，該涂層磨損率和摩擦系數約低于兩個數量的等級。證明該涂層耐磨蝕的性能比較好，可對316L型不銹鋼進行表面防護。

3.3電鍍技術

在電鍍涂層中，鎳鍍層的應用比價典型，是當代工業應用比較廣泛的一種涂層方式，同樣金屬耐磨蝕的問題有待解決。試驗證明，當晶粒的尺寸由50nm逐漸減少到5nm時，會不斷增強鍍層耐腐蝕性，非晶型鎳鍍層達到最好耐腐蝕性；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，非晶化和晶粒細化可使鍍層耐腐蝕性和硬度提高。

4、一體化技術的實際應用

在船舶行業中，沖蝕產生的磨損廣泛存在，沖蝕磨損可使設備失效加速，致使閥門頻繁更換、維修，增加經濟損失，所以，耐沖蝕防腐的特種涂層的研發和使用，可使閥門使用壽命大大延長，生產成本降低。某工程和材料技術研究所針對企業生產中海水閥門所遇到具有腐蝕性的沖蝕問題，通過對力學性能設計、以及耐化學、耐高溫腐蝕改性高分子的樹脂材料，篩選及級配耐磨性、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相結合，具有協同防腐耐沖功能。該防腐耐蝕涂層的研制在企業生產中得到示范性應用，取得的經濟效益及社會效益良好。

參考文獻：

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