危榮華(江西晶安高科技股份有限公司,江西 南昌 330000)
金屬材料廣泛用于化工機械,屬于其主要構(gòu)成材料,相關(guān)的組裝、鑄造、焊接等環(huán)節(jié)直接影響化工機械性能,這種影響在很大程度上與腐蝕有關(guān)。為保證化工機械材料防腐措施的科學(xué)選用,正是本文研究的目標(biāo)所在。
化工機械材料的腐蝕類型如圖1所示,全面腐蝕指的是發(fā)生于材料表面的腐蝕,如腐蝕性溶液與化工機械材料接觸,腐蝕會在材料表面出現(xiàn),一般不會穿孔,但會導(dǎo)致材料;縫隙腐蝕源于機械設(shè)施上的螺栓連接處與焊接點,腐蝕會在狹窄的縫隙出現(xiàn),如生產(chǎn)過程中或所處環(huán)境存在中性和酸性腐蝕液,縫隙腐蝕問題很容易出現(xiàn),含有活性陰離子的溶液較為容易引發(fā)縫隙腐蝕;點蝕指的是含特殊離子溶液與機械材料表面接觸引發(fā)的腐蝕,這種腐蝕很容易穿孔,在化工生產(chǎn)中較為常見,點蝕存在破壞性大、隱蔽性強等特點;應(yīng)力腐蝕指的是應(yīng)力作用下化工機械材料在腐蝕環(huán)境中出現(xiàn)的腐蝕狀態(tài),如含有酸性氣體的環(huán)境會腐蝕化工機械材料?;C械材料如存在夾雜、晶格層間錯斷、孔隙等缺陷,氫脆會在腐蝕環(huán)境中出現(xiàn),進而引發(fā)應(yīng)力腐蝕,酸性氣體在環(huán)境中的濃度對應(yīng)力腐蝕帶來的影響極為深遠。
圖1 腐蝕類型
多方面原因均可能導(dǎo)致化工材料腐蝕,主要包括:第一,材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)。化工機械材料的晶粒直接關(guān)系其防腐性能,如選取活躍度較高的材料,材料與外界接觸時很容易出現(xiàn)腐蝕;第二,環(huán)境影響。如長期處于高濕、高溫、高腐蝕環(huán)境,化工機械材料出現(xiàn)腐蝕問題的幾率將提升,需要使用帶腐蝕性溶液的化工設(shè)備將受到環(huán)境和溶液的雙重影響,材料腐蝕幾率將進一步提升;第三,金屬活躍度。在相同的生產(chǎn)環(huán)境中,對于防腐性能不同的各類化工機械材料,一般表面越粗糙,越容易出現(xiàn)腐蝕問題,這與金屬活躍度有關(guān);第四,設(shè)計與養(yǎng)護維修。化工設(shè)備設(shè)計、日常養(yǎng)護維修均會直接影響其抗腐蝕性能,合理設(shè)計可避免液體和塵土堆積引發(fā)腐蝕問題,養(yǎng)護維修的科學(xué)開展也能夠有效預(yù)防材料腐蝕[1]。
上述原因?qū)儆谝l(fā)化工材料腐蝕的內(nèi)部因素,各類外部因素帶來的影響也需要得到重視,如化工機械處于含有腐蝕性氣體或液體的環(huán)境,腐蝕問題很容易出現(xiàn)。如在酸堿性較強的環(huán)境下,化工機械設(shè)備的長期生產(chǎn)很容易導(dǎo)致表面腐蝕問題出現(xiàn),氣體和液體流動速度對腐蝕帶來的影響極為深遠,如流動速度較慢,腐蝕危害一般較小。如無法有效維護化工機械,相關(guān)金屬構(gòu)件銹蝕問題無法及時處理,腐蝕加重將導(dǎo)致設(shè)備使用性能嚴(yán)重受損,這同樣需要得到重視。
為提高化工機械材料防腐蝕性能,防腐措施的科學(xué)選用極為關(guān)鍵,常用措施包括:第一,優(yōu)選高等級耐蝕性金屬材料。腐蝕速率屬于耐蝕性等級界定依據(jù),如普通碳鋼、不銹鋼、鈦合金和鎳基合金分別屬于一般耐蝕性鋼材、中等耐蝕性鋼材、高等級耐蝕性金屬材料,化工機械在普通酸性環(huán)境下可選擇鈦合金和鎳基合金材料,但在較為苛刻酸性環(huán)境下,F(xiàn)-、Cl-很容易侵蝕鈦合金,這對其耐蝕性造成的削弱需要得到重視;第二,適當(dāng)熱處理。化工機械在成型后,為保證其具備更為出色防腐性能,熱處理的科學(xué)開展極為關(guān)鍵,這一處理方式能夠預(yù)防殘余應(yīng)力引發(fā)的相關(guān)問題,同時可有效消除內(nèi)部組織缺陷。對于金屬材料的金相結(jié)構(gòu)來說,熱處理能夠在其中發(fā)揮均化作用,金相組織通過這一處理能夠形成腐蝕能力更強的熱力平衡狀態(tài),進而更好預(yù)防腐蝕問題;第三,表面防護處理?;瘜W(xué)鍍、涂層、熱浸鍍等均屬于常態(tài)的機械材料表面防護處理方法,涂層指的是在材料表面致密、均勻涂覆涂料,通過致密且具備一定厚度的涂層隔離腐蝕環(huán)境與材料表面,實現(xiàn)對腐蝕過程產(chǎn)生和發(fā)展的阻滯。化學(xué)鍍指的是利用氧化-還原反應(yīng),在無外加電流情況下能夠?qū)崿F(xiàn)保護層形成,催化活性表面屬于其中關(guān)鍵,如純金屬、合金鍍層。在助鍍劑濕潤支持下,熱浸鍍能夠形成由熔融金屬與基體組成的保護層,具體涉及反應(yīng)、擴散過程,由此形成的合金層附著性較高。保護層能夠發(fā)揮減輕腐蝕或防腐蝕作用,從成本、效果等方面進行考慮可以發(fā)現(xiàn),機械材料表面防護處理屬于較為有效、經(jīng)濟的措施,如采用具備成本低、操作簡單的Ni-Fe-P合金鍍層。
選擇Ni-Fe-P合金鍍層和Q235鋼開展防腐蝕試驗,選取40×25×5 mm規(guī)格的試樣,通過碳化硅耐水砂紙(4種粒度)從粗到細進行試樣打磨,在丙酮中對打磨后的試樣進行5 min超聲波清洗,在鹽酸(10%)中進行試樣活化,最后差地清洗試樣,采用去離子水清洗并在干燥箱中烘干;選擇堿性化學(xué)鍍液進行化學(xué)鍍,具體構(gòu)成包括硫脲、硫酸銨、磷酸二氫鈉、檸檬酸鈉、硫酸亞鐵、硫酸鎳,配比分別為2 mg/L、20 g/L、25 g/L、50 g/L、5 g/L、35 g/L,需按照8.8左右控制pH值。在90 ℃的水浴溫度下,試樣預(yù)處理后在化學(xué)鍍液中進行2 h施鍍,完成后將試樣取出并開展腐蝕試驗。腐蝕試驗采用氯化鈉和鹽酸混合溶液,氯化鈉、鹽酸的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為5/0%、1.5%,全浸試驗在室溫下進行,以120 h為試驗周期。設(shè)置平行試驗3組,以此對試樣施鍍前后腐蝕速率進行統(tǒng)計,平均腐蝕速率為平均值。電化學(xué)阻抗譜和極化曲線通過三電極體系測試,以此對耐蝕性變化進行更全面分析,測試溶液采用氯化鈉溶液(3.5%)[2]。
結(jié)合防腐蝕試驗,可確定是有施鍍前后的平均腐蝕速率分別為3.41 mg·cm-2·h-1、0.53 mg·cm-2·h-1,同時圍繞腐蝕形貌進行對比可以發(fā)現(xiàn),試樣施鍍前大量微觀腐蝕電池在其表面形成,混合溶液中的氯離子和溶解氧也參與腐蝕過程,試樣表面氧化膜因此被破壞,溶解速度隨之加快。在施鍍后,Ni-Fe-P合金鍍層在試樣表面沉積,這種非晶態(tài)結(jié)構(gòu)不存在層錯、位錯、晶界、等缺陷,且存在較低的孔隙率和均勻結(jié)構(gòu),微觀腐蝕電池很難形成,其耐蝕性較為突出,這也是施鍍后試樣平均腐蝕速率大幅下降的原因。試樣施鍍后存在較為平整表面,不存在嚴(yán)重腐蝕區(qū)域。
圍繞圖2所示的極化曲線進行分析可以發(fā)現(xiàn),施鍍前、施鍍后試樣分別存在-0.76 V、-0.55 V的自腐蝕電位,這說明施鍍后試樣發(fā)生腐蝕的難度大幅提升,越正的自腐蝕電位代表越高的發(fā)生腐蝕難度,這說明試樣在施鍍后存在出色的耐蝕性。
圖2 極化曲線
圍繞圖3所示的電化學(xué)阻抗譜進行分析可以發(fā)現(xiàn),試樣施鍍前后均存在容抗弧組成的電化學(xué)阻抗譜,且均呈現(xiàn)偏心半圓形,半徑越大的容抗弧曲率代表越大的電荷轉(zhuǎn)移電阻,其對應(yīng)越好的耐蝕性。圍繞試樣在施鍍前后腐蝕過程進行分析,結(jié)合等效電路模型擬合電化學(xué)阻抗譜,基于電荷轉(zhuǎn)移電阻、溶液電阻、常相位元件(代替純電容),同時考慮彌散效應(yīng),可確定試樣施鍍前存在729 Ω/cm2的電荷轉(zhuǎn)移電阻,電荷轉(zhuǎn)移電阻在施鍍后提升明顯,具體達1 511 Ω/cm2,這一數(shù)值的顯著提升說明試樣在施鍍后存在更大的腐蝕反應(yīng)阻力,試樣被腐蝕的難度大幅提升[3]。
圖3 電化學(xué)阻抗譜
綜上所述,多方面原因均可能導(dǎo)致化工機械材料腐蝕。為更好提升化工機械材料的防腐蝕性能,氟碳彈性體涂層、納米二氧化硅改性環(huán)氧樹脂涂層等新型防腐蝕技術(shù)的研發(fā)和應(yīng)用必須得到高度重視,相關(guān)研究和探索需要針對性開展。