液态金属腐蚀与防护技术研究.doc

液态金属腐蚀与防护技术研究 在平常生活的自然环境或者在工况条件下，由于环境介质发生化学或者电化学作用而引起的变质和破坏，腐蚀都一直在进行着，它吞噬着人们的劳动成果，改变着物体的真实面目。据有关资料报道，全世界每年生产的钢铁材料大约有1/10被腐蚀掉，在我国由液态金属腐蚀的钢材占钢材总腐蚀量的近20%，其直接经济损失就达几亿元。 某些物理作用，例如金属材料在某些液态金属中的物理溶解现象也可以归入金属腐蚀范畴，金属在溶液中的腐蚀是一种电化学反应。很多实际应用领域都存在金属材料和液态金属的接触，如焊接、铸造、钎焊、热浸镀等。在很多情况下，金属材料以及由它们制成的结构物，在自然环境中或者在工况条件下，由于与其所处环境介质发生化学或者电化学作用而引起的变质和破坏，这种现象称为腐蚀。 液态金属腐蚀一直是我国冶金行业和核能工业中关键零部件腐蚀的主要原因之一，特别是在我国钢铁和有色冶金工业生产中，问题尤为突出。液态腐蚀会对关键部件起到破坏作用，会使机器设备无法正常运转，大大降低使用寿命，还会引起突发的生产事故，造成严重的后果和经济损失，而腐蚀防护是安全、正常生产的必要条件。因此，液态金属腐蚀与防护技术的研究与发展，将直接影响到工业生产水平和经济效益的发展程度。 一、液态金属腐蚀方式及机理 液态金属腐蚀在机理和方式上不同于常见的化学介质腐蚀，一般没有电化学反应发生，但伴随着冲蚀、气蚀及脆化等物理作用下的化学结果现象很容易在液态金属与固态金属之间发生，而导致固态金属破坏和液态金属的污染，其主要腐蚀方式有以下几种： 液态金属的溶解侵蚀：这种溶解过程主要受在给定温度下的固相金属在液态金属中的溶解度的控制。 由液态金属中污染而导致的腐蚀：主要由于液态金属中有氧存在，其表面可能被氧化。 晶界腐蚀：由液态金属与固相物质沿晶界所发生的有选择性反应，导致腐蚀。 物质的传输与沉积：在液态金属系统中，由于温度的不均性，导致一些元素在高温下被溶解，当传输到低温区时，这些元素又被沉积出来。 液态金属致脆：这是一种现象，如在锌环境中，奥氏体不锈钢的脆化现象。 冲蚀：由液态金属的机械冲刷所致。 二、国外液态金属腐蚀防护技术的研究 在国际上，由于核能电厂的特殊性，若因作为传热介质的液态金属腐蚀而出现事故，其灾难将会十分严重，所以人们对核电厂中的液态金属腐蚀问题给予了更多关注，并采取了一些防护措施。如美国芝加哥大学中著名的阿贡国家试验室（ArgonneNationalLaboratory）是美国研究核能的重点试验室之一，他们采用液相反应法，即把结构材料表面形成微液相，放入到氧、氮或氧-氮环境中，让结构材料表面形成一层稳定的抗腐蚀电绝热层。 在国际上，影响较大的公司有瑞士的SULZERMETCO公司、Castolin公司和美国的PRAXAIR公司。这3大公司不但提供完备的设备和材料，还提供工程服务。另外，专门从事热喷涂（焊）工程服务的大公司，有美国的A&ACompany，Inc和日本的-株式会社（TOCALO）。以上这些大的热喷涂（焊）公司在抗液态金属腐蚀工程上，做了长期和大量的研究工作，特别是对冶金（黑、有色）行业中的部件（包括大型冷热轧辊），从设备材料和工艺，都已进入工程应用阶段并取得显著的技术及经济效益。 三、国内液态金属腐蚀防护技术的研究 热喷涂技术在腐蚀与防护领域里发挥着重要的作用。热喷涂表面工程技术是一种可在材料表面形成多种功能涂层的主要方法之一，尤其是在防腐、耐磨方面更具优越性。近年来，随着热喷涂技术和相关材料、工艺的发展和提高，此项技术也被引用到耐熔融金属腐蚀工程中来，国内相关厂家和一些院校单位也做了大量的工作，如在材料方面，先后研制成功了可用于耐熔融金属腐蚀的以三氧化二铝（Al2O3）为主导产品的氧化陶瓷系列热喷涂用粉体材料，其代表机构和企业有北京矿冶研究总院、沈阳砂轮厂、中国科学院上海硅酸盐研究所等，同时，一些单位也相继仿制出了等离子、超音速热喷涂设备，其代表有中国航空工业集团公司北京航空材料研究院、航天材料及工艺研究所、第二炮兵工程学院、装甲兵工程学院等，他们生产的普通等离子设备、超音速电弧设备，在性能上，基本与国外同类产品相当。但在一些高新产品上，如高能等离子、超音速火焰喷涂等，我国的这些产品和国外的高新产品尚有差距。 四、热喷涂涂层材料对金属腐蚀的防护作用及应用 热喷涂是指将固态的喷涂材料，通过喷枪加热到融化或者半融化状态喷射到经过处理的工件表面上，形成的一种表面加工方法，是表面工程技术的重要组成部分。随着现代科技技术的发展，在生产实践中，在普通材料的表面制造一个特殊的工作表面，使其达到防腐、耐磨、抗氧化、抗高温、绝缘、放辐射等一系列的功能，把这类特殊的工作表面叫涂层，通过焰流制造的工作方法叫热喷涂工艺。用热喷涂技术制成涂层对金属材料表面的保护机理主要有2个方面：一是阻挡腐蚀介质的隔离作用，二是实现的阴极保护作用。在高温液态金属的侵蚀下，这些传统的涂层材料其抗蚀能力就略显薄弱，研发新的适用于抗液态金属腐蚀的一些涂层材料如难熔金属铌（Nb）基合金，碳化物陶瓷和复合氧化物陶瓷等，是解决问题的关键。耐蚀涂层结构示意图见图1。 涂层保护可以说是各行各业使用最广泛的防腐蚀技术，覆盖层保护技术主要是喷镀，采用喷涂锌、铝涂层对钢构件进行长效防护，国外已比较普遍应用，国内从20世纪50年代初期开始应用，20世纪80年代初期开始推广应用。粗略地估算，全国每年防护施工面积在百万平方米以上，取得了十分显著的经济效益和社会效益。目前已用于各行各业，表1列举了部分应用的实例。 机械零部件制造或修复中采用热喷涂技术有突出的技术经济效益，主要表现在以下几个方面： 提高性能，延长寿命 机械零部件往往是某一部位因腐蚀使其表面损失，由于经济上或技术上的原因不可能整体采用性能更优异的材料，而局部制备耐蚀性能优异的涂层，使其表面强化达到提高性能、延长寿命的目的。涂层只占整个工件的几十分之一，甚至几百分之一，但却可以降使用寿命延长几倍，甚至十几倍。 修旧利废 因腐蚀报废的机械零部件，用热喷涂涂层使其恢复尺寸，并赋予更好的耐蚀性能，从而挽回经济损失，各种轴类的修复是典型的应用实例，一般修复费用仅为新件的1/5左右，而使用寿命能延长几倍，对于大型的或昂贵的零部件的修复，效益更突出。 提高产品的质量 对某些机械零部件，如采用热喷涂涂层进行表面防护与强化，能提高整体性能，达到更高的技术性能指标，从而提高产品质量。 液态金属腐蚀对我国的冶金行业（有色、黑色）所造成的经济损失十分严重，对核能电站的正常运行也存在