酸蚀条件下铸态Cr22冲蚀磨损特性研究

姚秀荣，焦黎明，刘兆晶，戴云婷，张洪伟

（哈尔滨理工大学，黑龙江哈尔滨 150040）

酸蚀条件下铸态Cr22冲蚀磨损特性研究

姚秀荣，焦黎明，刘兆晶，戴云婷，张洪伟

（哈尔滨理工大学，黑龙江哈尔滨 150040）

本文通过对不同碳含量的铸态Cr22进行性能测试及组织观察，研究了其组织与性能之间的关系；通过对比试验，研究了材料在酸性条件下耐冲蚀磨损特性。在酸性条件下，耐冲蚀磨损特性体现出基体与碳化物交替剥落，酸性腐蚀居主导地位，磨损居次要地位的特性。含碳量1.31%Cr22材料的耐冲蚀磨损性能最佳。

铸态Cr22；组织和性能；冲蚀磨损

目前多数电站采取浆液脱硫的办法去除SO2[1-6]。脱硫用工件服役条件较为恶劣，以渣浆泵为例，其过流部件在酸性冲蚀条件下服役，易于损毁[7]。目前，对于高合金钢材料以及铁叶轮的报道多集中于耐磨性的应用[8-10]，同时对耐蚀耐磨进行研究的报道较少。

Cr22是一种应用在渣浆泵上的叶轮材料，含有较高的Cr、Ni等合金元素，是一种高铬高镍的耐蚀耐磨材料。本文通过对Cr22材料的C含量进行调整，研究其组织和性能，通过对比试验的方法，对这种材料在酸性条件下的耐冲蚀磨损性能进行探索研究，积累数据，拓展其使用范围。

1 材料制备及测试方法

采用感应熔炼的方法制备Cr22材料。熔炼制备碳含量不同的Cr22材料的目标成分见表1。

表1 不同碳含量Cr22材料的化学成分 (%)

熔炼设备为6WJ-0.25中频无芯感应熔炼炉，测温使用XMTⅡ-101型快速测温仪。

1.2 组织观察及性能测试

1.2.1 性能测试

（1）硬度测试：材料的洛氏硬度测定在HR-150DT型电动洛氏硬度计上完成。

（2）冲击试验：冲击韧性在JBN-300B型冲击试验机上测定。

1.2.2 组织观察

采用OLYMPUS GX71倒置式金相显微镜对材料进行金相组织观察；在FEI Sirsion扫描电子显微镜上进行腐蚀形貌及磨损形貌观察。

1.3 酸性冲蚀试验条件及设备

综上所述,个体化营养支持治疗能够根据患者的机体情况,给予患者适合的营养支持治疗,临床效果显著,值得推广应用。

酸性冲蚀试验在自制冲蚀磨损试验机上进行，试验装置如图1。该装置由浆料罐、机械传动系统、装夹系统三部分组成，其电机转速为1410r/ min，卡盘转速为940r/min。浆料条件为1000目的石灰石-石膏浆液、固体物100～200g/L、pH4～5、40℃～60℃。硫酸环境：Cl-浓度10000～15000mg/L。

图1 自制磨损试验装置示意图

在相同条件下，Cr22与选用的对比材料同时进行试验。每10h将试样取出清洗、称重及观察表面形貌。

2 铸态Cr22组织性能与冲蚀试验结果

2.1 铸态Cr22金相组织观察

不同碳含量的铸态Cr22材料的金相组织照片如图2所示。Cr22材料组织为奥氏体基体+共晶莱氏体。随含碳量的不断增加，莱氏体不断增加，奥氏体基体逐渐减少。

图2 铸态Cr22金相组织照片

2.2 力学性能测试结果

对不同碳含量Cr22材料进行洛氏硬度和冲击韧性测试，结果见图3所示。在碳含量由低到高的变化过程中，材料的硬度逐渐增加，冲击韧性逐渐降低。

图3 不同碳含量铸态Cr22硬度及冲击韧性结果对比图

2.3 冲蚀磨损形貌及试验结果

对C含量分别为0.11%，1.31%，2.81%三种Cr22及对比材料同时进行酸性条件下的冲蚀磨损试验，试验时间为80h，冲蚀磨损速率曲线见图4所示。

各种材料不同时刻冲蚀磨损后的表面形貌SEM如图5所示(图a ：0h，b：50h，c：80h)。

3 试验结果分析

图4 酸性介质中冲蚀磨损速率曲线图

由图2可知，Cr22材料组织为奥氏体基体+共晶莱氏体，当碳含量为0.11%时，组织中含有大量的奥氏体和少量的莱氏体。随含碳量的不断增加，莱氏体不断增加，奥氏体基体逐渐减少，变化极为明显，当碳含量达到2.81%时，奥氏体含量已经极少，大部分都是六边形的一次共晶碳化物，其金相组织由图a到图b再到图c，是一个渐变的过程。

由图3可知，在碳含量由低到高的变化过程中，由于碳含量增加，硬脆相碳化物逐渐增多，韧性好的奥氏体基体减少，所以材料的硬度逐渐增加，冲击韧性逐渐降低。

从图4可知，在酸性介质中，冲蚀磨损速率从高至低依次为Cr18W2，C0.11%Cr22，C2.81%Cr22，1Cr18Ni9Ti，C1.31%Cr22。说明在酸性介质冲蚀条件下，在试验材料中Cr18W2抗冲蚀磨损性能最差，碳含量为1.31%Cr22性能最佳。

图5为对比材料不同时刻的酸蚀冲蚀表面形貌，由此可分析材料失效形式。图5-1中的对比材料是1Cr18Ni9Ti，为典型的不锈钢，耐蚀性能优良；其组织为奥氏体，腐蚀界面极少，但耐磨性不高，基体是被浆料冲刷而层层剥落，从冲蚀磨损开始到80h试验结束，材料表面一直较为平坦。图5-2为对比材料Cr18W2高铬铸铁，材料组织为马氏体和碳化物，耐磨损性能很高。但Cr18W2中马氏体基体不耐腐蚀，优先被腐蚀掉，使抗磨的碳化物裸露出来，在卡盘高速旋转运动下，失去基体支撑的碳化物很快被冲刷掉，崩塌脱落，这样又使马氏体基体裸露在外，而随着酸蚀和冲蚀磨损同时有序进行，马氏体基体与碳化物快速交替脱落，所以其酸蚀条件下冲蚀磨损速率最大。最后造成材料表面粗糙、碳化物颗粒在表面明显突出的形貌。在试验结果的曲线图中，Cr18W2高铬铸铁在酸性介质中冲蚀磨损速率曲线远在1Cr18Ni9Ti不锈钢之上，说明酸性介质下的冲蚀磨损是以酸蚀作为主导的失效方式，而磨损加速了材料的失效。

图5 Cr22冲蚀磨损表面SEM

图5-3、4、5为三种不同含碳量的Cr22材料不同时刻的酸蚀冲蚀表面形貌，材料组织为奥氏体基体和碳化物。Cr22材料失效过程与Cr18W2类似，是交替脱落过程，但由于Cr22材料基体是奥氏体，所以耐酸蚀冲蚀磨损性能比Cr18W2优良。图5-3中材料为C0.11%Cr22，由于材料中有少量的碳化物存在，与1Cr18Ni9Ti相比增加了腐蚀界面，使其耐蚀性有所降低，腐蚀界面前沿的奥氏体在酸蚀、冲蚀的作用下首先受损，使整个基体变得易于被剥落，其少量的碳化物浮凸起来。当奥氏体被剥落极多，少量碳化物失去基体保护才被冲刷掉，如是往复，逐渐形成了表面比较平坦略有浮凸的表面形貌。其耐冲蚀磨损性能由于腐蚀界面的增加较1Cr18Ni9Ti略差。图5-4中材料为C1.31%Cr22，该材料中奥氏体和共晶莱氏体分布较为平均，相对较多的耐磨碳化物镶嵌在大量耐蚀的奥氏体基体中，在酸蚀和磨损的双重作用中它们相互依赖。虽然腐蚀界面增加，但由于奥氏体基体较为耐蚀，故腐蚀速率不快，奥氏体基体能长时间地把碳化物镶嵌在基体中，同时由于有数量颇多的碳化物，在浆料和磨料冲刷基体时，浮凸出的碳化物又起到了很好的抗冲抗磨作用，使基体不易被冲刷掉，最终形成了表面高低不平有大量浮凸的形貌。碳含量为1.31%的Cr22材料在奥氏体和碳化物交替脱落状况下，其交替脱落的速度最慢，在这几组材料中其耐酸性冲蚀磨损性能表现最佳。图5-5中材料为C2.81%Cr22，同其他碳含量的Cr22材料相比，组织中大部分为共晶莱氏体，碳化物较多，奥氏体基体很少。材料存在着大量的腐蚀界面，由于奥氏体很少，一旦奥氏体被腐蚀掉，大量碳化物将极易坍塌脱落。但又由于极大量的碳化物使其耐磨性能提高，增强了其抵抗浆料冲刷的能力。在两者的综合作用下形成了表面不平、沟痕明显、大块浮凸的形貌。在奥氏体和碳化物交替脱落的过程中由于碳化物大块掉落，使其失重量较大，耐冲蚀磨损性能也不突出。

综上所述，Cr22材料随碳含量变化，组织和性能都有明显变化。在酸性条件下的冲蚀磨损试验中，浆料对试验材料的酸蚀影响占主导地位，但酸蚀影响和磨损作用都不可忽视，碳含量为0.11%的Cr22材料，由于碳化物少而不够耐磨。碳含量为2.81%的Cr22材料，又由于奥氏体基体少使得碳化物容易脱落。碳含量为1.31%Cr22材料最有利于在酸性冲蚀条件下使用。

4 结论

（1）铸态Cr22的组织为奥氏体+共晶莱氏体；随着碳含量的增加，组织中奥氏体的数量越来越少，共晶莱氏体及碳化物的数量越来越多；材料的硬度逐渐增高，冲击韧性不断降低。

（2）冲蚀磨损试验表明酸性浆料对试验材料的酸蚀影响大于磨损，是酸蚀占主导地位的冲蚀磨损。

（3）冲蚀磨损结果表明三种不同含碳量的Cr22中，碳含量为1.31%的Cr22抗冲蚀磨损性能最佳。

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Researches on Erosion and Abrasion Features of As-Cast Cr22 in Acidic Conditions

YAO XiuRong, JIAO LiMing, LIU ZhaoJing, DAI YunTing, ZHANG HongWei

( Haerbin University of Science and Technology, Haerbin 150040, Heilongjiang China )

The microsructure and properties and the relationship between them have been reaserched by using mechanics property test and metalographic structure observation on as-cast Cr22 material of different carbon content. The material feature of resistance to erosion and abrasion in acidic conditions has been reserached by comparison test, which has reflected that acid corrosion damage accounted for the main and abrasion damage effect could not be ignored. Material’s etching and erosion feature expressed as the phenomenon that the matrix and carbrid alternately f aked off. The best overall performance was of the medium carbon content Cr22 material with carbon content 1.31%.

As-cast Cr22; Microstructure and property; Erosion and abrasion

TG144；

A；

1006-9658（2012）05-0011-4

2012－07－14

稿件编号：1207－086

姚秀荣（1963-），女，研究方向：耐蚀耐磨材料及耐热钢研究