定义
磨损腐蚀是一种材料破坏形式,它是由于腐蚀性介质与材料表面的相对运动,导致材料的腐蚀和磨损同时发生的现象。这种相对运动可以是滑动、振动或者流体的冲刷等,而且腐蚀和磨损之间相互促进,加速了材料的损坏过程。例如,在化工管道中,流体里的腐蚀成分和高速流动的液体对管道内壁产生冲刷,就会出现磨损腐蚀。
磨损腐蚀的类型
冲刷腐蚀
这是最常见的一种磨损腐蚀类型。当高速流动的流体(如液体或含有固体颗粒的浆液)与材料表面接触时,流体的动能会对材料表面产生剪切力,破坏材料表面的保护膜(如金属的氧化膜)。一旦保护膜被破坏,腐蚀性介质就会直接与材料基体接触,引发腐蚀。同时,腐蚀产物又会被流体带走,使得新的材料表面不断暴露在腐蚀环境中。
例如,在海水淡化工厂的海水输送管道中,海水以较高的流速通过管道,其中的盐分等腐蚀性成分与管道内壁发生反应,同时海水的冲刷会不断去除腐蚀产物,导致管道内壁逐渐变薄。这种冲刷腐蚀在管道的弯头、三通等部位更为明显,因为这些地方流体的流向发生改变,流速分布不均匀,局部冲刷力更强。
微动磨损腐蚀
它发生在两个相互接触并存在微小振动的表面之间。在振动过程中,接触点处的材料表面会产生微小的位移,这种位移足以破坏材料表面的保护膜。而且,由于接触点的局部压力较大,使得接触区域的氧化膜破裂后,新鲜的金属表面暴露出来,与周围的腐蚀性介质发生反应。
例如,在机械连接的螺栓和螺母之间,当设备受到振动时,螺栓和螺母的接触面就会发生微动磨损腐蚀。随着时间的推移,螺栓的螺纹部分可能会因为这种腐蚀而出现损坏,导致连接松动,影响设备的正常运行。
空泡腐蚀(气蚀)
当液体在高速流动过程中,局部压力降低到液体的饱和蒸汽压以下时,液体就会发生汽化,形成气泡。这些气泡在随液体流动到压力较高的区域时,会迅速崩溃。气泡崩溃时产生的冲击力非常大,会对材料表面造成损伤,使材料表面的保护膜破裂,进而引发腐蚀。
比如,在船舶的螺旋桨表面,当螺旋桨高速旋转时,桨叶背面的压力会降低,形成气泡。这些气泡在移动到压力较高的区域时破裂,对螺旋桨表面产生反复的冲击和腐蚀,使螺旋桨的表面出现凹坑,降低螺旋桨的性能。
磨损腐蚀的影响因素
材料因素
材料的硬度、韧性和耐腐蚀性等性质对磨损腐蚀有很大的影响。一般来说,硬度较高的材料能够更好地抵抗冲刷和磨损,但如果材料的耐腐蚀性差,即使硬度高也容易发生腐蚀。例如,碳化钨涂层硬度很高,在一些有冲刷磨损的环境中可以很好地保护基体材料,但如果在强酸性环境下,碳化钨可能会被酸腐蚀。材料的韧性也很重要,韧性好的材料能够在一定程度上吸收冲击力,减少磨损腐蚀的发生。
环境因素
腐蚀性介质的种类、浓度和温度等都会影响磨损腐蚀。例如,在酸性环境中,材料的腐蚀速度通常比在中性环境中快得多。而且,温度升高会加速化学反应速度,使得腐蚀和磨损过程都加快。此外,流体的流速是一个关键因素,流速越高,冲刷力越强,磨损腐蚀的可能性和程度就越大。
机械因素
包括物体之间的接触方式(如滑动、滚动)、振动频率和幅度等。在滑动接触的情况下,摩擦力会加剧磨损腐蚀,而振动的频率和幅度越大,微动磨损腐蚀的程度就越严重。例如,在汽车发动机的活塞环和气缸壁之间,活塞的往复运动产生的摩擦力和振动会导致磨损腐蚀,如果润滑不良,这种情况会更加严重。
预防和控制措施
材料选择
选择具有良好耐腐蚀性和耐磨性的材料。例如,在一些有冲刷腐蚀的化工管道中,可以选用不锈钢或玻璃钢等材料。不锈钢含有铬、镍等合金元素,能够在表面形成致密的氧化膜,提高耐腐蚀性,同时其硬度也能在一定程度上抵抗冲刷。玻璃钢是一种复合材料,具有良好的耐腐蚀性和一定的耐磨性,在许多腐蚀性流体输送场合有广泛应用。
表面处理
对材料表面进行涂层、电镀或化学转化膜处理等。涂层可以是有机涂层(如环氧树脂涂层)或无机涂层(如陶瓷涂层)。环氧树脂涂层具有良好的附着力和耐腐蚀性,能够有效地隔离材料与腐蚀性介质的接触。陶瓷涂层硬度高,耐磨性好,可以抵抗冲刷和磨损。电镀可以在材料表面镀上一层金属(如镀铬、镀锌),提高材料的耐磨性和耐腐蚀性。化学转化膜(如铝的阳极氧化膜)可以在材料表面形成一层保护膜,改善材料的抗腐蚀性能。
优化设计和操作条件
在设计方面,尽量避免流体的急剧转向和高速冲击,减少局部压力变化。例如,在管道设计中,采用大半径的弯头可以降低流体的局部冲刷力。在操作条件上,控制流体的流速、温度和压力等参数,降低磨损腐蚀的风险。例如,在海水冷却系统中,合理控制海水的流速,避免因流速过高而导致的冲刷腐蚀。