脫硫漿液循環(huán)泵通常被稱(chēng)為火電廠(chǎng)脫硫過(guò)程中的動(dòng)力心臟，是整個(gè)濕法脫硫工藝中至關(guān)重要的一部分。沖蝕磨損的腐蝕磨損模式是葉輪材料失效的主要原因。沖蝕磨損是指液體或固體顆粒對(duì)材料表面進(jìn)行腐蝕和沖擊而造成的材料損壞的現(xiàn)象，普遍存在于化工、礦山、水利、發(fā)電等行業(yè)[1]。在實(shí)際工況下，由于不僅僅是脫硫漿液的腐蝕和磨損簡(jiǎn)單相加，還存在二者之間的交互作用，這使得漿液循環(huán)泵過(guò)硫件尤其葉輪的工作壽命極短。現(xiàn)階段火電廠(chǎng)維護(hù)處理方法主要是表面施加涂層和加裝內(nèi)襯，但是這兩種措施受經(jīng)濟(jì)條件以及實(shí)際成效等因素的制約，很難取得理想效果。因此，研究材料本身腐蝕磨損失效規(guī)律對(duì)于延長(zhǎng)循環(huán)泵使用壽命顯得尤為重要。

高鉻鑄鐵Cr30A作為循環(huán)泵的主要使用材料，相比于以前使用的高錳不銹鋼和鎳硬鑄鐵，具有高硬度、優(yōu)異的韌性以及抗腐蝕磨損能力，在使用壽命方面更具優(yōu)勢(shì)。這些性質(zhì)是因?yàn)槠浯嬖诟哂捕鹊挠操|(zhì)相碳化物，發(fā)揮了優(yōu)越的抗磨削作用，同時(shí)保護(hù)了基體。Seetharamu等[2]研究了以抗磨損著稱(chēng)的鉻鐵，通過(guò)添加Mn，能夠進(jìn)一步改善其抗磨損性能。Anijdan等[3]研究了含W和不含W的高鉻白口鑄鐵在沖蝕腐蝕條件下的耐磨性。漿液循環(huán)泵葉片的腐蝕磨損并非純磨損和純腐蝕的簡(jiǎn)單疊加，腐蝕磨損是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，既有磨損又有腐蝕，還存在著二者的交互加速作用。Al-Bukhaiti等[4]使用漿料旋臂試驗(yàn)臺(tái)研究了沖擊角對(duì)AISI 1017鋼和高鉻白口鑄鐵沖蝕磨損的影響。Tian等[5]研究了一系列鑄造高鉻鑄鐵的微觀結(jié)構(gòu)及其相應(yīng)的耐磨性和耐腐蝕性，認(rèn)為這些高鉻鑄鐵的耐腐蝕性在很大程度上取決于基體中的Cr含量和碳化物體積分?jǐn)?shù)，而耐磨性主要由碳化物的體積分?jǐn)?shù)決定。據(jù)報(bào)道，在阿爾伯塔油砂行業(yè)，高鉻鑄鐵廣泛用于泥漿泵輸送系統(tǒng)以及其他加工和處理設(shè)備[6]。

現(xiàn)階段對(duì)高鉻鑄鐵Cr30A腐蝕磨損失效規(guī)律研究不多，且較集中在材料的純腐蝕或純磨損失效方面，而對(duì)于在實(shí)際工況中存在的漿料對(duì)材料腐蝕-磨損交互作用研究較少。本文對(duì)高鉻鑄鐵Cr30A在模擬濕法脫硫漿料環(huán)境下的腐蝕磨損行為進(jìn)行了研究，特別是探究了循環(huán)泵轉(zhuǎn)速的影響以及腐蝕-磨損交互作用機(jī)制。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

在腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行高鉻鑄鐵Cr30A的腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)。圖1是本實(shí)驗(yàn)所使用的腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)工作原理示意圖。實(shí)驗(yàn)時(shí)，將立方體試樣貼壁固定在容器內(nèi)壁之上，整個(gè)浸泡于腐蝕漿液之中，主軸上有旋轉(zhuǎn)葉片并隨軸轉(zhuǎn)動(dòng)，漿液隨葉片旋轉(zhuǎn)沖擊試樣表面。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，測(cè)定樣品的質(zhì)量損失，以表征材料的腐蝕磨損程度。

圖1   腐蝕磨損裝置示意圖

1.2 腐蝕、磨損及其交互作用程度的表征方法

金屬材料腐蝕磨損時(shí)，材料的損失是力學(xué)因素、電化學(xué)因素和環(huán)境因素共同作用的結(jié)果。腐蝕和磨損對(duì)材料損失產(chǎn)生明顯的互相促進(jìn)作用[7]。根據(jù)下式，材料的總損失量V大于純腐蝕量VC與純磨損量VW之和，差值為腐蝕-磨損交互作用量ΔV：

ΔV=V?VC?VW(1)

在模擬濕法脫硫漿料中進(jìn)行腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)，測(cè)量實(shí)驗(yàn)前后高鉻鑄鐵Cr30A的失重，得到V。在靜態(tài)腐蝕的條件下測(cè)量純腐蝕實(shí)驗(yàn)前后高鉻鑄鐵Cr30A的失重，得到VC。在去離子水中進(jìn)行純磨損實(shí)驗(yàn)測(cè)量高鉻鑄鐵Cr30A的失重，此時(shí)材料流失可以看作是由單純機(jī)械磨損所致，得到純機(jī)械作用下的損失量VW。

1.3 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)材料為高鉻鑄鐵Cr30A，其化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%) 為：C 0.012，Si 0.36，Mn 0.48，Cr 29.05，Mo 1.79，Ni 1.2，N 0.012，F(xiàn)e余量。將實(shí)驗(yàn)材料線(xiàn)切割成10 mm×10 mm×10 mm的立方體試樣，依次用240#、400#、800#、1200#和2000#的砂紙打磨試樣表面，然后進(jìn)行拋光，最后在無(wú)水乙醇中超聲清洗20 min，稱(chēng)重后備用。

配制3種實(shí)驗(yàn)漿液如下所示，分別用于純磨損、純腐蝕和腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)。

純腐蝕溶液：3.5% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) NaCl水溶液，用98% (質(zhì)量分?jǐn)?shù)) H2SO4溶液將pH值調(diào)至約為3。

純磨損漿液：石英砂 (粒度為40~70目)+去離子水，其質(zhì)量配比為1∶4。

腐蝕磨損漿液：石英砂 (粒度為40~70目)+3.5%NaCl水溶液，其質(zhì)量配比為1∶4，用98%H2SO4溶液將pH值調(diào)至約為3。

實(shí)驗(yàn)時(shí)間為24 h，實(shí)驗(yàn)之后洗凈稱(chēng)重。為了盡可能模擬載荷較大的實(shí)際工況并了解不同階段轉(zhuǎn)速對(duì)Cr30A鑄鐵腐蝕-磨損交互作用的影響，選擇400，800和1200 r/min 3種轉(zhuǎn)速。實(shí)驗(yàn)后，試樣在無(wú)水乙醇中超聲波清洗處理20 min，采用電子天平測(cè)量質(zhì)量損失，用單位面積上的質(zhì)量損失來(lái)表征腐蝕磨損程度，最終數(shù)據(jù)采用3次實(shí)驗(yàn)的平均值。最后，利用掃描電鏡 (SEM，SM-6700F) 及自帶能譜儀 (EDS) 分析表面組織、形貌以及成分的變化。

2 結(jié)果與討論

2.1 轉(zhuǎn)速對(duì)材料腐蝕磨損失重的影響

圖2為不同轉(zhuǎn)速對(duì)Cr30A高鉻鑄鐵腐蝕磨損失重的影響?？梢钥闯觯琕及VW均隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，轉(zhuǎn)速增加促進(jìn)了材料的質(zhì)量損失。當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，VW的失重占比 (VW/V) 為43.67%；轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，VW的失重占比 (VW/V) 為85.46%；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，VW大于V。

圖2   在不同轉(zhuǎn)速條件下由磨損和腐蝕磨損引起的Cr30A鑄鐵質(zhì)量損失

由表1中腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中材料損失各組成部分以及所占比例可以看出，雖然V及VW均隨著轉(zhuǎn)速的增加而增大，但是轉(zhuǎn)速的增加對(duì)純磨損促進(jìn)作用更為明顯。隨著轉(zhuǎn)速增加，純磨損占總腐蝕磨損失重之比 (VW/V) 逐漸增大。腐蝕磨損交互作用ΔV則在轉(zhuǎn)速增加的情況下逐漸減小，當(dāng)轉(zhuǎn)速?gòu)?00 r/min增加到800 r/min時(shí)，腐蝕磨損交互作用量占總腐蝕磨損量之比ΔV/V由48.73%變?yōu)?0.28%；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，腐蝕-磨損交互作用量為負(fù)數(shù)，這說(shuō)明腐蝕-磨損交互作用抑制了材料的損失，即腐蝕與磨損兩者之間是相互抑制的，表現(xiàn)為對(duì)抗作用。

2.2 漿液腐蝕與顆粒沖擊磨損對(duì)材料損傷的交互作用

材料的沖蝕機(jī)理主要取決于材料的性質(zhì)、沖蝕的角度和漿料。含有韌性第二相碳化物和脆性基體的材料具有兩種類(lèi)型的韌性和脆性的沖蝕行為模式[4]。

圖3是在轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)Cr30A鑄鐵在不同介質(zhì)中的侵蝕表面SEM像。從圖3a可以看出，Cr30A鑄鐵在去離子水中發(fā)生純磨損時(shí)，基體產(chǎn)生塑性變形所導(dǎo)致的疲勞磨損和石英砂的沖擊導(dǎo)致的磨粒磨損是主要磨損機(jī)制。由于材料在受到磨粒沖擊時(shí)的沖擊角不是一成不變的，所以表面出現(xiàn)不同沖擊角所造成的坑洞和切削犁溝 (圖3a)。在具有腐蝕性石英砂漿液中磨損時(shí)，首先由于酸性漿液腐蝕試樣表面，使得基體裸露在腐蝕性漿液中；同時(shí)由于受到石英砂沖擊作用，出現(xiàn)微裂紋。在連續(xù)沖擊后，微裂紋導(dǎo)致穿晶斷裂。同時(shí)，碳化物在其周?chē)w被嚴(yán)重侵蝕后脫落。材料破壞以塑性變形導(dǎo)致的材料脫落和沖蝕磨損為主。沖擊區(qū)表現(xiàn)為塑性變形區(qū)，存在疲勞韌性斷裂，但脆性斷裂占主導(dǎo)地位。碳化物的脫落主要取決于基體的變形程度，當(dāng)基體經(jīng)歷大的變形時(shí)，存在于表面下方的碳化物將會(huì)析出且斷裂脫落[8]，導(dǎo)致在基體表面形成深坑 (圖3b)。碳化物與奧氏體基體間的微裂紋和結(jié)合弱化是由于基體發(fā)生了明顯的塑性變形[9]。當(dāng)材料中存在高硬度碳化物時(shí)，它會(huì)賦予材料優(yōu)異的耐磨性，從而使得材料在受到純磨損時(shí)僅存在少量裂紋。但在腐蝕磨損作用下，材料基體中的奧氏體和珠光體由于較軟，容易發(fā)生變形，從而導(dǎo)致碳化物析出和斷裂，并最終導(dǎo)致材料發(fā)生大塊脫落，使得材料質(zhì)量損失明顯[10]。

圖3   Cr30A鑄鐵在轉(zhuǎn)速為400 r/min下兩種不同漿液中腐蝕磨損后表面的SEM像

圖4是Cr30A高鉻鑄鐵在轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)不同介質(zhì)中的侵蝕表面的SEM像。在去離子水中純磨損情況下，材料表面呈現(xiàn)整體斷裂 (圖4a)，在高速?zèng)_擊下，許多晶粒發(fā)生脫落導(dǎo)致基體發(fā)生大范圍變形，從而使金屬基質(zhì)產(chǎn)生結(jié)合損失，最后發(fā)生大塊斷裂脫落。在純磨損環(huán)境下，Cr30A鑄鐵失效機(jī)制是以疲勞脆性斷裂為主伴隨石英砂沖擊導(dǎo)致的磨粒磨損。在腐蝕磨損漿料中，腐蝕磨損表面較平整且不存在明顯斷裂或脫落現(xiàn)象，存在少量凹坑和大量網(wǎng)狀裂紋 (圖4b)。由圖5中EDS分析結(jié)果可以看出，表面存在Fe，O，Cr，推測(cè)FexOy和CrxOy在表面上形成。這說(shuō)明當(dāng)轉(zhuǎn)速為800 r/min時(shí)，腐蝕磨損試樣表面發(fā)生了氧化，從而表面生成了氧化膜。

圖4   Cr30A鑄鐵在轉(zhuǎn)速為800 r/min下兩種不同漿液中腐蝕磨損后表面的SEM像

圖5   Cr30A高鉻鑄鐵在轉(zhuǎn)速為800 r/min條件下腐蝕磨損后表面EDS分析結(jié)果

在腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，石英砂隨漿料沖擊材料表面產(chǎn)生摩擦熱，基體的溫度由于摩擦熱而升高。在低轉(zhuǎn)速下，產(chǎn)生的摩擦熱較少且容易散失。隨著轉(zhuǎn)速增加，摩擦熱增多，促進(jìn)了摩擦接觸區(qū)表面的氧化反應(yīng)，使氧化膜的形成速度增加[11]。而氧化膜的硬度和剪切強(qiáng)度比都比試樣高，從而提高了試樣承受沖擊的能力。因此，沖擊磨損成為失效次要因素，材料損失的主要原因是腐蝕磨損。

圖6是在轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)Cr30A鑄鐵在不同介質(zhì)中侵蝕后表面的SEM像。在去離子水中純磨損情況下，表面受侵蝕情況加劇，材料脫落現(xiàn)象更加明顯。此外，表面出現(xiàn)小部分氧化層。由圖7中EDS分析結(jié)果可以看出，表面存在Fe和O，推測(cè)轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)在純磨損試樣表面上形成了Fe的氧化物。但在純磨損試樣表面形成的氧化層結(jié)構(gòu)較為疏散，并且在沖擊下出現(xiàn)脫落現(xiàn)象，導(dǎo)致仍有大部分基體裸露出來(lái)，因此難以起到保護(hù)基體的作用。而在腐蝕磨損情況下，試樣表面裂紋明顯增多，但氧化膜依然保持較致密穩(wěn)定的形態(tài)，仍然起到了保護(hù)基體的作用。在腐蝕磨損過(guò)程中，表面上各個(gè)區(qū)域所受侵蝕效果并不一致，存在受侵蝕最為嚴(yán)重的幾個(gè)部位，區(qū)域之間侵蝕效果不同影響了表面形貌。不同侵蝕區(qū)的形成與沖擊角和速度直接相關(guān)。在腐蝕磨損過(guò)程中，由于漿料沖擊，表面受侵蝕嚴(yán)重的區(qū)域會(huì)更容易損失其表面鈍化膜。在這種情況下，原電池出現(xiàn)在磨損區(qū)域 (陽(yáng)極) 和未磨損區(qū)域 (作為陰極) 之間，鈍化膜重新形成。在腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)中，原電池的形成可能是表面裂紋形成的原因[12]。

圖6   Cr30A鑄鐵在轉(zhuǎn)速為1200 r/min下兩種不同漿料中腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)后表面的SEM像

圖7   Cr30A鑄鐵在轉(zhuǎn)速為1200 r/min條件下純磨損后表面EDS分析結(jié)果

2.3 腐蝕-磨損交互作用

材料同時(shí)受到磨損和腐蝕共同作用時(shí)，材料的損失不是磨損和腐蝕的簡(jiǎn)單疊加，還存在腐蝕和磨損之間的交互作用[13]。在腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，腐蝕-磨損交互作用占總腐蝕磨損失重比 (ΔV/V) 為48.73%，腐蝕-磨損交互作用明顯。當(dāng)材料受到腐蝕和磨損的協(xié)同作用時(shí)，腐蝕會(huì)加速磨損，反過(guò)來(lái)磨損也會(huì)同時(shí)加速腐蝕，導(dǎo)致材料質(zhì)量損失更為明顯[13]。磨損對(duì)腐蝕具有明顯的促進(jìn)作用，摩擦和沖擊作用使得Cr30A鑄鐵表面產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞塑性變形，裸露出新鮮的金屬表面，遭受進(jìn)一步腐蝕。并且變形區(qū)域晶體缺陷密度會(huì)急劇增大，由此造成受沖蝕的部位產(chǎn)生了較高的位錯(cuò)密度和腐蝕活性，形成原電池反應(yīng)，同時(shí)漿液的轉(zhuǎn)動(dòng)作用促進(jìn)了陰極反應(yīng)過(guò)程，促進(jìn)了材料的損失[7]。磨損加快了材料的腐蝕，而高鉻鑄鐵韌性較低，材料表面的塑性變形是磨損產(chǎn)生的，導(dǎo)致材料被沖擊破碎損耗或斷裂失效 (圖3b)。亞表層產(chǎn)生的裂紋會(huì)沿著碳化物與基體的相界面擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展到表面后，腐蝕介質(zhì)隨之滲入，加重了材料的腐蝕并最終導(dǎo)致碳化物剝落從而形成碎片狀剝落，促進(jìn)了磨損的進(jìn)一步發(fā)生。隨著轉(zhuǎn)速的增大，腐蝕-磨損交互作用量反而減小，這說(shuō)明腐蝕-磨損交互作用在較低載荷 (轉(zhuǎn)速) 下尤其明顯[7,14]。

在腐蝕磨損系統(tǒng)中，不僅存在腐蝕和磨損之間的協(xié)同效應(yīng) (腐蝕與磨損相互促進(jìn)) ，而且在某些情況下也存在對(duì)抗效應(yīng) (腐蝕和磨損在腐蝕磨損中相互抑制)[15]。在腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到400 r/min時(shí)，腐蝕-磨損交互作用占總腐蝕磨損失重比 (ΔV/V) 為48.73%；當(dāng)轉(zhuǎn)速達(dá)到800 r/min時(shí)，腐蝕磨損試樣表面上出現(xiàn)氧化膜 (圖4b)，腐蝕-磨損交互作用占總腐蝕磨損失重比 (ΔV/V) 降到10.28%[16]；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，V相較于VW更小，腐蝕-磨損交互作用抑制了材料的損失。這說(shuō)明，在高轉(zhuǎn)速下，腐蝕和磨損在腐蝕磨損過(guò)程中存在相互抑制，呈現(xiàn)對(duì)抗作用。當(dāng)轉(zhuǎn)速為800和1200 r/min時(shí)，腐蝕磨損試樣表面都出現(xiàn)了致密氧化膜 (圖4b和6b)，為金屬基體提供了保護(hù)，使得材料損失隨保護(hù)膜的出現(xiàn)而下降[17]。由于氧化膜的耐腐蝕性，以及良好抗沖擊能力，保護(hù)膜不易分層，同時(shí)具有承載能力，對(duì)基體產(chǎn)生了優(yōu)異的保護(hù)而削弱了基體的塑性變形，這可以用來(lái)解釋為什么磨損與腐蝕之間呈對(duì)抗作用[18]。

3 結(jié)論

(1) 高鉻鑄鐵Cr30A純磨損失重和腐蝕磨損失重都隨轉(zhuǎn)速增加而增大，腐蝕-磨損交互作用在轉(zhuǎn)速增加的情況下逐漸減小，磨損在侵蝕過(guò)程中占主導(dǎo)地位。

(2) Cr30A鑄鐵在純磨損狀態(tài)下，基體塑性變形所導(dǎo)致的斷裂、脫落和石英砂的沖擊導(dǎo)致的磨粒磨損是主要磨損機(jī)制。在存在腐蝕情況下，低轉(zhuǎn)速400 r/min下侵蝕原因是塑性變形導(dǎo)致的疲勞脫落和沖蝕磨損；轉(zhuǎn)速升高達(dá)到800和1200 r/min時(shí)，材料的損失以腐蝕磨損為主。

(3) 當(dāng)轉(zhuǎn)速為400 r/min時(shí)，腐蝕-磨損交互作用表現(xiàn)為協(xié)同作用；當(dāng)轉(zhuǎn)速為1200 r/min時(shí)，腐蝕磨損試樣生成致密氧化層，起到了保護(hù)基體的作用，腐蝕-磨損交互作用表現(xiàn)為對(duì)抗作用。Cr30A鑄鐵在酸性腐蝕漿料的腐蝕磨損中，腐蝕和磨損的協(xié)同和對(duì)抗作用共同存在。