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《机械科学研究总院》 2012年
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合金结构钢、不锈钢及其表面陶瓷涂层耐蚀性能研究

徐昌盛  
【摘要】:目前我国用于海洋环境中的大型机械液压杆材料主要采用40Cr钢,该钢为合金结构钢,是机械制造业使用最广泛的钢之一,经过调质处理后,其性能较好满足这种液压杆机械力学指标的要求,但在实际使用过程中发现其耐海水腐蚀性能较差。腐蚀会引起杆件机械强度下降,对机械设备安全造成危害,腐蚀产物还可能对密封环材料造成损伤,为此急需对海洋环境中使用的液压杆进行腐蚀与防护研究。 研究主要从以下两方面进行,一是拟采用耐蚀性更好的钢材替代目前液压杆普遍采用的40Cr钢、提高液压杆的服役寿命;二是拟在40Cr上涂覆防护涂层、在满足材料各项机械性能的同时又能提高材料的耐蚀性,同时拟对40Cr的替代材料涂覆防护涂层,以期获得更好的服役功能性。 除40Cr外还选取0Cr17Ni4Cu4Nb、1Cr18Ni9和18Cr2Ni4WA这三种材料作为试验裸材和基体材料,其中0Cr17Ni4Cu4Nb和18Cr2Ni4WA可作为新造液压杆的候选材料,1Cr18Ni9作为耐蚀性对比材料。设计了四种优良的陶瓷涂层喷涂方案对上面四种基体材料进行防护,包括DPAT-13陶瓷涂层体系、DPAT-40陶瓷涂层体系、金属陶瓷(WCCoCr)涂层体系和GBAT-20陶瓷涂层体系。主要从以下四方面开展试验,对所选材料和喷涂陶瓷涂层的试样的耐蚀性进行充分深入的研究,包括实验室模拟加速腐蚀研究、实海环境腐蚀研究、电化学性能研究、电偶腐蚀性能研究。并根据试验结果及分析,提出了金属喷涂陶瓷涂层后的腐蚀失效机制。 研究所得主要结果如下:(1)材料耐蚀性的大小顺序为0Cr17Ni4Cu4Nb1Cr18Ni918Cr2Ni4WA40Cr。40Cr腐蚀产物物相的演变过程为:γ-FeOOH→Fe3O4+α-FeOOH→Fe3O4→Fe3O4+Fe2O3+CrO;而18Cr2Ni4WA腐蚀产物物相的演变过程为:α-FeOOH+Fe3O4→Fe3O4,在三亚海水潮差环境中,40Cr锈层明显分为内锈层和外锈层,内锈层物相为γ-FeOOH,外锈层物相由Fe2O3、Fe3O4、α-FeOOH和极少量的γ-FeOOH组成。裸材在三亚海水环境中比在青岛海水环境中更倾向于局部腐蚀。材料表面钝化膜多少排序为:0Cr17Ni4Cu4Nb>1Cr18Ni9>18Cr2Ni4WA40Cr;钝化膜的平整性排序为:0Cr17Ni4Cu4Nb>18Cr2Ni4WA>1Cr18Ni9。40Cr和其它三种材料的双电层电容特性存在差别,40Cr的弥散效应很小而其它材料的弥散效应较大。盐雾\干\湿交替循环腐蚀试验对于耐海水腐蚀性好的材料腐蚀速率加速效果明显,对于耐海水腐蚀性差的材料腐蚀速率加速效果较弱。 (2)四种陶瓷涂层体系的致密性排序为:GBAT-20≈金属陶瓷>DPAT-40>DPAT-13。实验室模拟加速腐蚀试验的结果显示:喷涂GBAT-20陶瓷涂层体系的试样耐蚀性最好,试样基本无孔蚀,通过了5000h盐雾\干\湿交替循环腐蚀试验的考核;喷涂DPAT-13陶瓷涂层体系的试样耐蚀性最差,试验过程中很快出现孔蚀。对于金属陶瓷涂层体系,不锈钢基材的试样耐蚀性较差,合金结构钢基材的试样耐蚀性较好,金属陶瓷(WCCoCr)涂层体系的陶瓷层在含氯离子的水溶液中较易发生腐蚀。喷涂在圆棒上的陶瓷涂层,在由曲率引起的拉力和腐蚀的作用下,腐蚀一定程度后,陶瓷层就会出现沿轴向的裂纹。实海环境腐蚀试验也显示喷涂GBAT-20陶瓷涂层体系的试样耐蚀性最好,喷涂金属陶瓷涂层体系的试样耐海水腐蚀性较差。喷涂陶瓷涂层的圆棒试样比平板试样的耐蚀性要好。陶瓷涂层体系自身的耐腐蚀性能排序为:GBAT-20>金属涂层>DPAT-40>DPAT-13。GBAT-20涂层体系能极大的改善40Cr和0Cr17Ni4Cu4Nb与铝青铜之间的电偶腐蚀情况。 (3)喷涂DPAT-13陶瓷涂层体系和DPAT-40陶瓷涂层体系的试样,腐蚀失效机制类似,均存在四种腐蚀失效机制;喷涂GBAT-20陶瓷涂层体系的试样,主要存在两种腐蚀失效机制;喷涂金属陶瓷(WCCoCr)涂层体系的试样,陶瓷层自身会首先发生腐蚀,主要存在三种腐蚀失效机制。研究得到的腐蚀失效机制类型具有普遍性,也可适用于其它陶瓷涂层体系。 (4)新造液压杆的候选材料中0Cr17Ni4Cu4Nb耐蚀性最好,适宜作为新造液压杆的基体材料。喷涂GBAT-20陶瓷涂层体系能显著提高各金属基体的耐蚀性能,明显改善电偶腐蚀情况,适宜作为海洋环境中使用的液压杆的的防护涂层。
【学位授予单位】:机械科学研究总院
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2012
【分类号】:TG174.44

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【参考文献】
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