姚新陽，國旭明

(沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽 110136)

0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層耐沖刷腐蝕性能研究

姚新陽，國旭明

(沈陽航空航天大學 材料科學與工程學院，沈陽 110136)

對0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層和對比材料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，承受嚴重的液固兩相流的沖刷腐蝕磨損，導致部件失效損壞或設(shè)備報廢，這不但耗竭了極為有限的資源，而且還浪費了大量的能源[1-4]。部件破損導致工業(yè)生產(chǎn)不連續(xù)，造成的損失更嚴重，所以為確保生產(chǎn)裝置安全長周期有效地運行，對一些設(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不銹鋼具有高強度,在空氣介質(zhì)中的抗氧化性能優(yōu)良等特點[12]，故本文采用MIG焊0Cr13Ni6Mo涂層的方法對金屬表面進行改性處理，與316L不銹鋼基材做對比，旨在找到更好提高金屬抗沖刷腐蝕性的方法。

1 實驗材料及方法

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，其化學成分如表1所示。

表1 0Cr13Ni6Mo焊絲的化學成分 (質(zhì)量分數(shù)/%)

1.2 0Cr13Ni6Mo涂層制備工藝過程

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316L不銹鋼基材表面進行打磨處理，并用鋼絲刷進行清理。然后采用MIG焊方法進行表面堆焊。焊接電壓為27 V，電流為200 A，焊接速度為470 mm/min。

1.3 沖刷腐蝕實驗

沖刷腐蝕實驗在自制的噴射式?jīng)_刷腐蝕實驗機上進行，沖刷腐蝕的試樣尺寸為直徑為12 mm，高度13 mm的圓柱。實驗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，實驗溫度為室溫，實驗時間為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

沖刷腐蝕實驗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 測試表征

采用OLYMPUS GX71金相顯微鏡對316L不銹鋼基體和0Cr13Ni6Mo涂層的金相組織進行觀察。采用美國FEI掃描電鏡對沖涮腐蝕表面形貌進行觀察。采用HMV-WIN型顯微硬度計對涂層進行硬度測試，載荷為500 g ，加載時間30 s。

2 實驗結(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，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?？梢姡?Cr13Ni6Mo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8 h沖刷腐蝕后的累計失重量與堿濃度、含砂量以及流速的關(guān)系失重柱形圖。由圖3可以看出當堿濃度、含砂量和流速都較小時，316L不銹鋼的累計失重為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；當堿的濃度、含砂量和流速都較大時，相同的沖刷腐蝕時間，316L奧氏體不銹鋼的累計失重為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%的細砂、5 m/s的流速、經(jīng)過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重，基本上沒有發(fā)生塑性變形，316L不銹鋼腐蝕表面出現(xiàn)了相對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)了相對較少的沖刷腐蝕凹坑。

從原理上來說，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不銹鋼沒有體現(xiàn)出優(yōu)勢，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%的細砂、5 m/s的流速、經(jīng)過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%的細砂、20 m/s的流速、經(jīng)過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，所以在較大的機械沖擊力的作用下，0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層表面幾乎沒有塑性變形。

圖5 5%的NaOH、20%的細砂、20 m/s的流速、經(jīng)過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，氧去極化反應速度較慢[13]，故此時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8h沖刷腐蝕后的累計失重量與酸濃度、含砂量以及流速的關(guān)系失重柱形圖。由圖6可以看出，當酸濃度、含砂量和流速都

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

較小時，316L不銹鋼的累計失重為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；當酸的濃度、含砂量和流速都較大時，相同的沖刷腐蝕時間，316L奧氏體不銹鋼的累計失重為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%的細砂、5 m/s的流速、經(jīng)過8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片。可以看出，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有發(fā)生塑性變形，只是出現(xiàn)了個別切削溝槽。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%的細砂、5 m/s的流速、經(jīng)過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%的細砂、20 m/s的流速、經(jīng)過8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片。可以看出，316L不銹鋼表面大量的出現(xiàn)了長而深的切削溝槽，而且由于砂粒的犁削作用而形成了犁溝和深的凹坑，因為腐蝕液的流速很快，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，造成了嚴重的損耗。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%的細砂、20 m/s的流速、經(jīng)過8 h的沖刷腐蝕后的掃描電鏡照片

但此時的316L不銹鋼和0Cr13Ni6Mo不銹鋼涂層的累計失重量與圖5中的5%的NaOH、20%的細砂、20 m/s的流速、經(jīng)過8 h的沖刷腐蝕條件下的累計失重量相比較，兩者除了酸堿溶液不一樣之外，其他條件是一樣的。但此時在酸中的累計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，說明在高濃度酸中，氫去極化腐蝕反應得到了充分的進行。腐蝕使得金屬表面變得疏松，出現(xiàn)更多孔洞，在機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，在隨后的機械沖擊力的作用下，剪切唇被固體顆粒切削掉，如此反復，造成了嚴重的損耗。

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；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(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