海水阀门金属材料的耐磨防腐及腐蚀磨损的技术一体化研究

胡寒冰 陈中一

摘要：由于海水阀门在海洋环境中长期服役，其工程材料遭受损伤腐蚀在所难免，海水阀门作为海洋工程/系统中一种重要的运转部件面临着严重的磨损及腐蚀等耦合损伤，因此，本文针对海水环境下海水阀门金属材料磨损腐蚀实效的行为及其机理进行分析，并且进行系列防腐、磨损一体化技术的对比，对磨损防腐一体化材料优化磨损防腐性能机理进行分析，为海水阀门磨损防腐问题的解决提供参考。

关键词：海水阀门；金属材料；磨损腐蚀；一体化技术

随着我国海洋工程建设海洋装备的不断发展，海洋平台、养殖平台、潜水设备等海工设施与装备，成为海洋国防及经济建设的重要组成部分。由于海洋装备需要在海洋环境中长时间工作，与其相关的运动系统势必遭受磨损腐蚀。因此对进行海水阀门材质磨损腐蚀以及相互作用等问题给予充分认识，积极进行有效抗蚀耐磨材料和一体化防护技术的研发，成为海洋设备可靠、安全运行的重要保障。

1、产生腐蚀磨损的主要因素

1.1介质的影响

影响材料的腐蚀性能主要因素包括介质的浓度、PH值及其温度等，同时也是影响材料磨损腐蚀性能的重要因素。腐蚀介质不仅具有腐蚀作用，同时也可通过反应生成具有腐蚀性的新物质腐蚀磨损材料。

1.2材料的影响

材料的微观组织、化学成分、塑性、硬表面的粗糙度等是对材料的磨蚀性能产生影响的重要因素。所以，抗蚀耐磨一体化的材料应当具有优越的腐蚀抗力和耐磨性能，需要综合优化材料的微观结构和化学成分等，决定材料磨损腐蚀以及磨损性能的重要因素是材料本身的力学性能、组织结构等。材料本身耐腐蚀、耐磨损的性能良好，才能在磨损腐蚀的环境中应用。

2特殊金属材料磨损腐蚀因素的影响

2.1介质的影响

通过对304型不锈钢的磨损腐蚀造成的损伤行为及其机理受PH值、腐蚀介质的浓度影响的深入研究，发现氯离子的浓度增加则会显著增加304型不锈钢局部腐蚀的敏感性，特别是点蚀的敏感性。因此304型不锈钢磨蚀中及静态腐蚀损伤程度增大。但是，在氯离子的浓度不断升高的情况下，将会明显降低304/AL2O3磨损率及磨损系数，并且磨损的表面逐渐光滑，则说明在氯化物润滑性能的作用下，磨损受腐蚀的影响程度逐渐减弱。所以，腐蚀溶浓度的提高，可使磨损腐蚀中腐蚀和纯机械性磨损大大降低，该研究指明了金属材料抗蚀耐磨新的研究方向。

2.2电化学的影响

在防护腐蚀技术中应用比较广泛的一种方法是牺牲阳极阴极保护法，该种方法是先给需要保护的金属材料进行阴极电流的施加，向辅助的阳极进行阳极电流的施加，从而构成腐蚀电流，该方法是强制电流的方法。所以，外加的电位具有防护材料磨损腐蚀的作用，而该种方法关键因素则是外加电位。由实验证明，纯化膜点蚀的电位高于外加电位时，由于磨损腐蚀相互交互，明显增加材料总损失；当点蚀电位低于外加电位时，则抑制材料腐蚀，所以材料损失主要是钝性机械的磨损。

2.3材料的影响

耐磨性、耐腐蚀性、硬度等材料本征物性是对材料的磨损腐蚀性能产生影响的重要因素，所以不同的金屬材料磨损腐蚀性能的对比，成为海水阀门选材的重要技术依据。通过测试各种金属材料磨损腐蚀结果可知，同马氏体的不锈钢相比，奥氏体的不锈钢更加适用于具有腐蚀性的海水环境阀门部件比如，304和316L两种类型的不锈钢相比，316L的腐蚀损伤性能明显降低，同时腐蚀加速时明显降低其磨损损伤。另外，奥氏体和铁素体2205型双相钢同单一的奥氏体型不锈钢相比，其阀门腐蚀抗力明显提高，腐蚀介质中阀门服役寿命明显延长。比如，2205型双相钢腐的磨损损伤约占材料11.6%总损伤，而304型不锈钢约占材料20%的总损伤，所以，耐腐蚀性的提高可使因腐蚀、加速损伤等明显降低。对于钛合金和不锈钢来说，钛合金抗蚀耐磨性能更加优异。

3防腐耐磨技术一体化研究

3.1PVD防腐耐磨技术

在远海或者深海作业中进行系统补给维护的难度较大，所以阀门的稳定性及其可靠性具有加高的要求，需要进行防腐耐磨一体化的防护技术强化处理。对于诸如TiN GLC CrN进行PVD 涂层，通过对腐蚀-磨损之间交互作用的机制实施研究，构建结构致密、界面多层次高承载、阻碍腐蚀通道涂层材料，进行系列集耐磨损、低摩擦、防腐蚀等性能于一体的耐蚀抗磨的材料，促使金属材料抵御腐蚀的性能进一步改善。

与金属材料相比，明显提高了PVD涂层硬度，比如约为2000HV维氏硬度的CrN涂层，2800HV的TiN涂层，2500HV的类金刚石、均低于300HV的2205型双相钢及316L等，所以以耐磨性与硬度之间的正比关系为依据，进行高硬度性能PVD防腐耐磨一体化的涂层金属材料机械磨损的抗力显著提高的推测，实验表明，CrN涂层的机械磨损为41.2%总磨损腐蚀的损失量，同金属材料相比提升幅度较大。因此，材料硬度的提高是金属材料的机械磨损进一步改善的重要手段。

针对体系不同的PVD防腐耐磨一体化的涂层进一步实施分析对比，TiN、GLC、CrN涂层金属材料相关的性能均得到有效改善。比如316型不锈钢磨损防腐性能。海水中CrN涂层中，Cr2N/CrN的结构涂层润滑减磨的作用更加凸显。另外，加入Si、C等元素CrN涂层磨损率及摩擦系数均降低，特别是Si为1.44%的质量分数，C元素为5.72%时，CrN涂层磨损摩擦均得到明显改善。所以，四元及三元体系的CrN涂层在金属材料磨损防腐性能充分发挥中起到重要的作用。

3.2热喷涂防腐耐磨技术

在镍基涂层中，由于金属镍为主要材料，因此其耐腐蚀性比较好，但是具有耐磨性能较差、硬度低等不足之处。所以，在日常工作中，通常采取对设备的WC陶瓷用等离子进行喷涂，促使镍基复合的涂层增强，并对海水工况中涂层耐磨蚀性进行研究。WC增强的陶瓷镍基复合的涂层组成部分主要包括带状相和连续相，分别为碳化钨和固溶体y-Ni。由海水工况中的磨蚀试验可知，同316L型不锈钢相比，该涂层磨损率和摩擦系数约低于两个数量的等级。证明该涂层耐磨蚀的性能比较好，可对316L型不锈钢进行表面防护。

3.3电镀技术

在电镀涂层中，镍镀层的应用比价典型，是当代工业应用比较广泛的一种涂层方式，同样金属耐磨蚀的问题有待解决。试验证明，当晶粒的尺寸由50nm逐渐减少到5nm时，会不断增强镀层耐腐蚀性，非晶型镍镀层达到最好耐腐蚀性；非晶型纳米晶的涂层其耐腐蚀性位于20nm-50nm之间，同大尺寸的纳米晶相比，其耐腐蚀的性能较为优越。另外，晶粒尺寸的不同，其镍镀层硬度分别为50nm>20nm>非晶>非晶/纳米晶>5nm。所以，非晶化和晶粒细化可使镀层耐腐蚀性和硬度提高。

4、一体化技术的实际应用

在船舶行业中，冲蚀产生的磨损广泛存在，冲蚀磨损可使设备失效加速，致使阀门频繁更换、维修，增加经济损失，所以，耐冲蚀防腐的特种涂层的研发和使用，可使阀门使用寿命大大延长，生产成本降低。某工程和材料技术研究所针对企业生产中海水阀门所遇到具有腐蚀性的冲蚀问题，通过对力学性能设计、以及耐化学、耐高温腐蚀改性高分子的树脂材料，筛选及级配耐磨性、高硬度的陶瓷颗粒，同石墨烯、聚醚醚酮纤维、碳纤维等填充材料防腐性及力学相结合，具有协同防腐耐冲功能。该防腐耐蚀涂层的研制在企业生产中得到示范性应用，取得的经济效益及社会效益良好。

参考文献：

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[2]陈君，李全安，张清，等.海水腐蚀对几种金属材料耐磨性能的影响[J].材料热处理学报，2014，35（12）：166-171.