舵?zhèn)鲃?dòng)拉桿常用材料腐蝕試驗(yàn)

李德遠(yuǎn)，胡軍華，武 朝，黎 申，陳國琳

(1．海軍駐431廠軍代室，遼寧 葫蘆島 125004;2．武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

舵?zhèn)鲃?dòng)拉桿常用材料腐蝕試驗(yàn)

李德遠(yuǎn)1，胡軍華2，武 朝2，黎 申2，陳國琳2

(1．海軍駐431廠軍代室，遼寧 葫蘆島 125004;2．武漢第二船舶設(shè)計(jì)研究所，湖北 武漢 430064)

針對(duì)目前舵?zhèn)鲃?dòng)拉桿容易腐蝕的問題，對(duì)0Cr17Ni4Cu4Nb、18Cr2Ni4WA等幾種常用不銹鋼材料進(jìn)行了腐蝕試驗(yàn)對(duì)比分析，實(shí)海潮差腐蝕、鹽霧/干/濕交替循環(huán)腐蝕、動(dòng)電位極化及人工海水全浸腐蝕試驗(yàn)結(jié)果表明，0Cr17Ni4Cu4Nb材料可用于拉桿耐腐蝕材料并優(yōu)于目前舷外拉桿材料。

傳動(dòng)拉桿;0Cr17Ni4Cu4Nb;實(shí)海潮差腐蝕;動(dòng)電位極化

0 引言

舵?zhèn)鲃?dòng)拉桿長期處于干濕交替的海洋環(huán)境中，其不僅要求具有較強(qiáng)的機(jī)械性能、抗海水腐蝕能力和抗海洋生物粘附能力，同時(shí)兼具有較低的摩擦系數(shù)及抗磨損能力。目前，舵?zhèn)鲃?dòng)拉桿采用40Cr材料，其耐海水腐蝕性能較差，使用中腐蝕嚴(yán)重，其主要腐蝕包括下述幾種：磨損腐蝕、縫隙腐蝕(拉桿與密封圈之間產(chǎn)生的腐蝕)、電偶腐蝕(配對(duì)運(yùn)動(dòng)副為鋁青銅材料)、局部腐蝕、點(diǎn)蝕和均勻腐蝕等。

在解決桿件材料的腐蝕方面，通常采用的方法是選用耐腐蝕性能良好的材料(比如鈦合金、高分子材料、陶瓷等)，或者在拉桿材料基體表面采用熱處理的方法增進(jìn)材料表面耐腐蝕性能［1－6］。然而，耐腐蝕性能優(yōu)良的材料往往價(jià)格昂貴或者是某方面的機(jī)械性能得不到特定場(chǎng)合的需求，如鈦合金基本無腐蝕［7］，但價(jià)格昂貴;PEEK材料耐腐蝕和耐磨性能較好，但機(jī)械性能不夠，常用于空壓機(jī)閥門閥片中［8－9］;工程陶瓷則脆性大，不適用于大負(fù)載且承受徑向載荷的情況。另外，陶瓷的制作、生產(chǎn)及加工比較復(fù)雜，只適用于部件尺寸及負(fù)載較小的場(chǎng)合［10－12］。采用不銹鋼作為基體，通過合適的表面熱處理方法則不但能滿足機(jī)械性能和耐腐蝕的要求，而且制作成本低，適合于海水環(huán)境下傳動(dòng)拉桿的制作。但不同不銹鋼材料的耐腐蝕性能不同，為更好地提高拉桿的防腐性能，本文著重對(duì)幾種常用材料的耐腐蝕性能進(jìn)行試驗(yàn)分析，以找出合適的拉桿基體材料作為傳動(dòng)拉桿陶瓷噴涂基材。

1 試驗(yàn)

1.1 實(shí)海潮差腐蝕試驗(yàn)

試 驗(yàn) 材 料 為：40Cr，316L，0Cr17Ni4Cu4Nb，1Cr18Ni9Ti，18CrNiW。各種材料試樣尺寸為 200 mm×100 mm×2 mm。

試驗(yàn)參照GB/T 6384－1986“船舶及海洋工程用金屬材料在天然環(huán)境中的海水腐蝕試驗(yàn)方法”。試驗(yàn)6個(gè)月，試驗(yàn)區(qū)間為間浸試驗(yàn)，由于潮差水位的變化，造成干濕交替的腐蝕作用。試樣的掛放按標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行為串掛固定方式進(jìn)行腐蝕試驗(yàn)，試樣間及其與掛桿金屬材料間采用高分子材料的套管和隔套絕緣。

選擇三亞和青島分別代表我國南海和黃海海域環(huán)境的海水試驗(yàn)站進(jìn)行實(shí)海標(biāo)準(zhǔn)樣板的掛片試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果如圖1和表1所示。

圖1 海水試驗(yàn)后裸材外觀圖Fig.1 The pictures of the material after sea corrosion experiment

將5種裸材在三亞和青島海水中的腐蝕情況進(jìn)行對(duì)比可以看出，三亞海水腐蝕性比青島海水強(qiáng)，除了0Cr17Ni4Cu4Nb外其他裸材在三亞海水中的腐蝕速率均大于在青島海水中的腐蝕速率，而且三亞海水使裸材點(diǎn)蝕傾向變大。40Cr在三亞海水中點(diǎn)蝕和均勻腐蝕同時(shí)進(jìn)行，且點(diǎn)蝕嚴(yán)重，而在青島海水中則以均勻腐蝕為主，只有少量點(diǎn)蝕。對(duì)比材料在三亞和青島海水的耐蝕性可知，316L及0Cr17Ni4Cu4Nb在這兩海水區(qū)域中耐蝕性較好。

?

1.2 鹽霧/干/濕交替循環(huán)腐蝕試驗(yàn)

試驗(yàn)材料同實(shí)海潮差試驗(yàn)，試驗(yàn)參照GB/T 20854－2007“金屬和合金的腐蝕循環(huán)暴露在鹽霧、‘干’和‘濕’條件下的加速試驗(yàn)”。試驗(yàn)條件為噴霧2 h，5%NaCl溶液，溫度35℃;干燥4 h，溫度60℃;潮濕2 h，溫度50℃，試樣尺寸為100 mm×50 mm。

圖2 鹽霧/干/濕交替循環(huán)腐蝕試驗(yàn)曲線Fig.2 The curve of the salt spray/dry/wet alternate cycling corrosion experiment

由圖2可知，鹽霧/干/濕交替循環(huán)下，材料耐蝕性大小為316L＞0Cr17Ni4Cu4Nb＞1Cr18Ni9Ti＞18Cr2Ni4WA＞40Cr，試驗(yàn)中以40Cr和18Cr2Ni4WA的腐蝕率為大。

1.3 動(dòng)電位極化試驗(yàn)

試驗(yàn)材料同實(shí)海潮差試驗(yàn)，試驗(yàn)溶液為3.5%NaCl，室溫，試樣面積為1 cm2，采用2273電化學(xué)工作站進(jìn)行試驗(yàn)。

圖3 裸材試樣動(dòng)電位極化曲線Fig.3 The potentiodynamic polarization curve of the uncover material

表2為從圖3的極化曲線中讀出的反應(yīng)材料耐蝕性的參數(shù)，點(diǎn)蝕電位Eb100為腐蝕電流等于100 μA·cm－2時(shí)所對(duì)應(yīng)的電位值(如圖3虛線所示)。

表2 裸材試樣動(dòng)電位極化參數(shù)Tab．2 The poteniodynawvic polarization parameterof the wneover material

從表2可見，5種裸材的自腐蝕電位和點(diǎn)蝕電位的大小排序均為：316L＞0Cr17Ni4Cu4Nb＞1Cr18Ni9Ti＞18Cr2Ni4WA＞40Cr;自腐蝕電流的大小排序?yàn)椋?0Cr＞18Cr2Ni4WA＞1Cr18Ni9Ti＞0Cr17Ni4Cu4Nb＞316L。自腐蝕電位越大表明材料越難陽極極化，自腐蝕電流越小表明材料的腐蝕速率越小，點(diǎn)蝕電位越大表明材料越耐點(diǎn)蝕。綜合3種參數(shù)可得此5種材料的耐蝕性大小順序?yàn)椋?16L＞0Cr17Ni4Cu4Nb＞1Cr18Ni9Ti＞18Cr2Ni4WA ＞40Cr，這與前面腐蝕試驗(yàn)所得的結(jié)論相同。由圖3還可以看 出，316L，0Cr17Ni4Cu4Nb，1Cr18Ni9Ti 和18Cr2Ni4WA均有明顯的鈍化區(qū)，而40Cr沒有鈍化區(qū)，這表明40Cr表面不能形成有效的鈍化膜阻礙腐蝕的進(jìn)行，因此40Cr耐蝕性很差。

1.4 實(shí)驗(yàn)室人工海水全浸腐蝕試驗(yàn)

在實(shí)驗(yàn)室人工海水中模擬材料的海水全浸腐蝕試驗(yàn)，試驗(yàn)方法參照GB/T 10124－1988“金屬材料實(shí)驗(yàn)室均勻腐蝕全浸試驗(yàn)方法”。試驗(yàn)時(shí)間為3 000 h，試驗(yàn)溫度為室溫，人工海水配方參照GB/T 15748－1995“船用金屬材料電偶腐蝕試驗(yàn)方法”進(jìn)行配方。試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

由圖4(a)可以看出，316L，0Cr17Ni4Cu4Nb與1Cr18Ni9Ti的腐蝕速率出現(xiàn)先減少后增的現(xiàn)象。這是因?yàn)椴讳P鋼鈍化膜遭到腐蝕介質(zhì)破壞發(fā)生腐蝕后，鈍化膜會(huì)很快自我修復(fù)，在1 000～2 000 h之間由于溶液中溶解的氧還較充足，因此鈍化膜的修復(fù)能力較強(qiáng)，對(duì)腐蝕的發(fā)展起較大的阻礙作用，所以1 000～2 000 h腐蝕速率出現(xiàn)下降;但在2 000 h后，溶液中溶解的氧因消耗變得越來越少，鈍化膜的修復(fù)能力變差，腐蝕速率自然變大。由圖4(b)可見，40Cr的腐蝕速率一直減小，但降低的幅度減小，18Cr2Ni4WA的腐蝕速率先增大后減小，這是因?yàn)槿斯ずＫr(shí)40Cr表面很快會(huì)產(chǎn)生銹層，并且銹層會(huì)逐漸致密和增厚，18Cr2Ni4WA的耐蝕性比40Cr好，1 000 h時(shí)表面只是局部有少量的銹跡，沒有形成銹層，對(duì)腐蝕的發(fā)展不能起阻礙作用，到2 000 h后表面逐漸形成一層銹層，延緩了腐蝕的發(fā)展。由以上分析可以看出，其5種材料在人工海水中的耐蝕性大小順序?yàn)椋?16L＞0Cr17Ni4Cu4Nb＞1Cr18Ni9Ti＞18Cr2Ni4WA ＞40Cr，此結(jié)果與鹽霧干濕交替循環(huán)腐蝕試驗(yàn)相同。

2 結(jié)語

本文對(duì)幾種常用的不銹鋼材料的耐腐蝕進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究，從實(shí)海潮差腐蝕、鹽霧/干/濕交替循環(huán)腐蝕、動(dòng)電位極化及人工海水全浸腐蝕試驗(yàn)結(jié)果來看，316L的耐腐蝕性最好，0Cr17Ni4Cu4Nb次之，40Cr最差，但316L，1Cr18Ni9Ti的抗拉強(qiáng)度不夠，不宜作為拉桿的基材。為此，從材料耐蝕性和機(jī)械力學(xué)性能綜合考慮，拉桿基體材料應(yīng)選用0Cr17Ni4Cu4Nb較為合適。

［1］張思勛，崔文芳，董杰．一種耐海水腐蝕型超低碳貝氏體鋼的研究［J］．東北大學(xué)學(xué)報(bào)，2011，32(2)：250－253．

ZHANG Si-xun，CUI Wen-fang，DONG Jie．Development of an ultra-low carbon bainitic steel with resistance to marine corrosion［J］．Journal of Northeastern University，2011，32(2)：250－253．

［2］姜峨，文燕，劉然超，等．304NG不銹鋼均勻腐蝕性能研究［J］．核動(dòng)力工程，2005，26(4)：390－392．

JIANG E，WEN Yan，LIU Ran-chao，et al．Research on general corrosion property of 304NG stainless steel［J］．Nuclear Power Engineering，2005，26(4)：390－392．

［3］李晉珩，周蘭英，龐思勤．壓氣輪機(jī)葉輪耐腐蝕涂層研究［J］．兵工學(xué)報(bào)，2008，29(2)：188－192．

LI Jin-heng，ZHOU Lan-ying，PANG Si-qin．Research on corrosive resistance film used for compressor Blade［J］．Acta Armamentarii，2008，29(2)：188 －192．

［4］王森林，廖濤，紀(jì)永樂，等．Sb-Zn合金的電沉積及其耐腐蝕性能［J］．材料科學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2008，26(5)：739－742．

WANG Sen-lin，LIAO Tao，JI Yong-le，et al．Electrodeposition and corrosion resistance performances of the Sb-Zn alloy［J］．Journal of Materials Science ＆ Engineering，2008，26(5)：739－742．

［5］尹大宇，朱慶生，段永宏，等．鉭涂層對(duì)Ti－6Al－4V合金抗腐蝕性能的影響［J］．科學(xué)技術(shù)與工程，2010，36(10)：9048－9051．

YIN Da-yu，ZHU Qing-sheng，DUAN Yong-hong，et al．Effects of ta coating on corrosion resistance of Ti－6Al－4V alloy［J］．Science Technology and Engineering，2010，36(10)：9048－9051．

［6］曹正黃，丁彰雄，王群．船舶機(jī)械中WC－12Co金屬陶瓷涂層性能研究［J］．船海工程，2008，37(3)：32－35．

CAO Zheng-huang， DING Zhang-xiong， WANG Qun．Performance study of WC－12Co coatings applied in marine machinery［J］．Ship ＆ Ocean Engineering，2008，37(3)：32－35．

［7］王安安，樊愛民，龍晉民，等．鈦合金腐蝕行為的研究［J］．昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，20(2)：75－80．

WANG An-an，F(xiàn)AN Ai-min，LONG jin-min，et al．A study on corrosion behavior of Titanium alloys［J］．Journal of Kunming University of Science and Technology，1995，20(2)：75－80．

［8］黃維峰．PEEK工程塑料閥片在活塞式空壓機(jī)上的應(yīng)用［J］．冶金動(dòng)力，2007，(2)：30－32．

HUANG Wei-feng．Application of PEEK engineering plastic valve leaf in piston-type air compressor［J］．Metallurgical Power，2007，(2)：30 －32．

［9］林有希，高誠輝．PEEK基自潤滑復(fù)合材料的摩擦學(xué)研究和應(yīng)用［J］．潤滑與密封，2006，(2)：171－176．

LIN You-xi， GAO Cheng-hui．Tribologicalresearch on polyetheretherketone self-lubricating composites and applications［J］．Lubrication Engineering，2006，(2)：171 －176．

［10］唐群國，陳晶田，金文浩，等．Ti(C，N)基金屬陶瓷在海水潤滑下的摩擦磨損特性研究［J］．潤滑與密封，2011，36(1)：1－3．

TANG Qun-guo，CHEN Jing-tian，JIN Wen-hao，et al．Study on the tribological behaviours of Ti(C，N)cermet lubricated with seawater［J］．Lubrication Engineering，2011，36(1)：1－3．

［11］劉銀水，唐群國，李壯云．工程陶瓷在水壓控制閥中的應(yīng)用［J］．閥門，2005，(2)：27－29．

LIU Yin-shui， TANG Qun-guo， LIZhuang-yun．The applications of engineering ceramics in water hydraulic valves［J］．Valve，2005，(2)：27 － 29．

［12］張曉晴，寧建國，等．Al2O3陶瓷動(dòng)態(tài)力學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究［J］．北京理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，24(2)：178－181．

ZHANG Xiao-qing，NING Jian-guo，et al．Experimental study on dynamic mechanical properties of Al2O3ceramics［J］．Journal of Beijing Institute of Technology，2004，24(2)：178－181．

Corrosion experiment research on the materials common used in transmission pole

LI De-yuan1，HU Jun-hua2，WU Chao2，LI Shen2，CHEN Guo-lin2
(1．Naval Representative Office of 431 Shipyard，Huludao 125004，China;2．Wuhan Second Ship Design and Research Institute，Wuhan 430064，China)

To the problem of the poor corrosion resistance of the outboard transmission pole，the corrosion experimentsofseveralkindsofcommon stainlesssteelincluding 0Cr17Ni4Cu4Nb and 18Cr2Ni4WA were analyzed in this paper．From the seawater-tide corrosion experiment，the salt spray/dry/wet alternate cycling corrosion experiment，the potentiodynamic polarization and the artificial sea immersion corrosion experiment，it can be indicated that the 0Cr17Ni4Cu4Nb can be used as the corrosion resistant material and is superior to the material of the current transmission pole．

transmission pole， 0Cr17Ni4Cu4Nb， seawater-tidecorrosion， potentiodynamic polarization．

O64

A

1672－7649(2012)07－0122－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2012.07.028

2011－12－07;

2011－12－26

李德遠(yuǎn)(1965－)，男，高級(jí)工程師，從事船舶裝置研究。