刮板输送机中板用新型耐磨钢Ti60与ANM450的腐蚀行为

滕子朱瑾陈华辉马峰

1.中国矿业大学(北京)机电与信息工程学院,北京 100083;2.北京航天航空大学材料科学与工程学院,北京 100191

随着综合机械化采煤效率的不断提升,对煤炭开采综采设备的要求越来越高[1]。刮板输送机作为煤炭综采设备的核心设备,其可靠性、高效性、稳定性直接影响着煤矿的生产效率和煤炭企业的经济收益。刮板输送机主要由电动机、链轮、中部槽、刮板、采煤机行走机构等部件组成[2-5],而中部槽承载大部分的荷载并起核心作用[6],其磨损和腐蚀情况直接决定了刮板输送机的使用寿命和安全可靠性。

含煤地层一般在地下含水层之下[7-8],井下掘进时常会有地层出水现象,相对湿度能达95% 以上,这使刮板输送机会长期处于高潮湿环境中,甚至会半浸泡于矿井水中工作[9-12]。同时,随矿井开采深度不断加深,矿井的温度也会升高。高温高湿加速了中部槽中板的磨损和腐蚀。因此,针对井下环境对综采设备的腐蚀还需要进行深入的研究。

目前,刮板输送机中板用钢已从传统的锰钢[13]逐渐转变为瑞典Hardox[14]系列和国内NM[15]系列为代表的低合金耐磨钢。针对煤矿井下严苛工况,钢铁研究总院研发出新型低合金耐磨钢Ti60,鞍山钢铁则以NM450 为基础研发出ANM450。本文以这两类新钢种为研究对象,对其进行显微组织与相结构的分析,并模拟矿井水的腐蚀试验,研究了新钢种在不同腐蚀溶液中的腐蚀性能及腐蚀机理。

1 试验方法

1.1 试验材料

试验材料为Ti60 钢及ANM450 钢。Ti60 的生产工艺如下:炼钢→精炼→VD/RH 真空处理→连铸坯→钢坯加热→轧制→淬火(900 ℃水淬)→回火(200 ℃空冷)→成品板;ANM450 的生产工艺如下:炼钢→精炼→VD/RH 真空处理→连铸坯→钢坯加热→轧制→淬火(920 ℃水淬)→回火(250 ℃空冷)→成品板。瑞典Hardox450 钢为常用于矿山机械及建筑材料的低合金耐磨钢,具有优良的韧性、可焊接性和成形性。3 种钢的化学成分见表1。

表1 试验钢的化学成分Table 1 Chemical compositions of three tested steels %

使用扫描电镜HITACHIS-S3400 对钢的显微组织进行观察分析。使用 X 射线衍射仪PANalytical AERIS 分析钢的相结构。

1.2 均匀腐蚀试验

将3 种试验钢板线切割加工成28.5 mm×25.5 mm×2.5 mm 的片状试样,在试样钻一直径为2 mm 的圆孔以便悬挂。

根据我国山东某煤矿矿井水的水质检测报告,参考其酸碱度和主要腐蚀离子Cl-、以及主要成垢离子Mg2+、Ca2+,使用NaCl、Na2SO4、CaCO3、Mg(OH)2制备了模拟矿井水溶液。为了分析单纯腐蚀离子和单纯成垢离子的腐蚀作用,还模拟配置了腐蚀离子溶液(NaCl、Na2SO4)和成垢离子溶液[CaCO3、Mg(OH)2],并以去离子水溶液作为对比溶液。4 种溶液的化学成分见表2。所有溶液的pH 值由pH 值测试笔测定。

表2 4 种腐蚀溶液的化学成分Table 2 The chemical compositions of four kinds of corrosive solution

将4 种腐蚀溶液放于烧杯中,在每个烧杯悬挂3种钢试样;将烧杯置于HH-6 恒温水浴锅中,试验温度控制在(40±1)℃内;浸泡试验设置3 d、10 d、25 d、50 d 4 个腐蚀周期。保证试样完全浸泡于腐蚀溶液内且位于液面10 mm 下,每周(168 h)更换1 次腐蚀溶液。腐蚀试验后的样品放入乙醇溶液中进行超声清洗,干燥后进行称重。采用X 射线衍射仪PANalytical AERIS 分析腐蚀产物的化学成分。

1.3 电化学腐蚀试验

采用武汉科斯特CS 电化学测试工作站测试3种耐磨钢的Tafel 极化曲线,分析研究其电化学腐蚀性能。电化学试验采用三电极体系,Pt 电极为辅助电极,饱和甘汞电极(SCE)为参比电极,3 种钢试样为工作电极。

将3 种钢板线切割加工成10 mm×10 mm×5 mm的块状试样,使用冷镶法进行密封。将固化后的样品依次用金刚石磨盘、600 号、800 号、1000 号、1200号、1500 号砂纸打磨,抛光后清洗干燥。将样品浸泡于装有腐蚀溶液的烧杯中0.5 h,腐蚀溶液于(40±1)℃中保温,等到开路电位处于相对稳定状态后,测量其极化曲线。扫描区间设定于样品的开路电位在±0.5 V 左右,系统扫描速度为0.5 mV/s。

2 结果与讨论

2.1 新型耐磨钢的显微组织与相结构

如图1所示,3 种钢的主要显微组织为取向不同的板条马氏体组织,原奥氏体晶粒被不同取向的马氏体束分割。Hardox450 钢中原奥氏体晶粒尺寸约为6～8 μm,Ti60 与ANM450 中原奥氏体晶粒尺寸约为5～7 μm,Ti 元素的加入使得原奥氏体晶粒度减小,说明其起到细化晶粒的作用。根据前期研究,图1(b)(c)中在晶界处观察到不规则的黑色多边形颗粒为TiC 颗粒,颗粒尺寸约为1～3 μm,体积分数分别为2.1% 与1.7%。

图1 试验钢的显微组织Fig.1 Microstructure of three tested steels

3 种低合金耐磨钢的XRD 图谱如图2所示。对比标准衍射卡片可知,3 种耐磨钢的相结构相同,都为α-Fe。碳在α-Fe 中的过饱和固溶体即为马氏体,分析结果与图2的显微组织相符。在图1可观察到Ti60 与ANM450 的显微组织有TiC 颗粒分布,但由于含Ti 量分别为0.6% 和0.5%,其物相含量低于5% 时则难以被检测出。因此,在XRD 中难以检测出TiC 峰。在图2中,仅耐磨钢Ti60 在42°和67°有微弱的TiC 衍射峰。

图2 试验钢的XRD 图谱Fig.2 XRD pattern of texted steels

2.2 不同介质中的均匀腐蚀行为

2.2.1 宏观腐蚀形貌特征

图3为3 种耐磨钢在不同腐蚀溶液中的腐蚀宏观形貌。

图3(a)为去离子水环境中试样表面的腐蚀形貌。腐蚀初期可见试样表面产生分布较为均匀的麻点,ANM450 试样表面产生的麻点小而密集,腐蚀产物容易脱落。随着腐蚀的进行,较小的点蚀坑连接成较大的腐蚀坑与腐蚀沟,腐蚀产物逐渐覆盖至整个磨损表面。覆盖于样品表面的腐蚀产物逐渐致密化,腐蚀产物较不易脱落。

图3(b)为腐蚀离子溶液中试样表面的腐蚀形貌。与图3(a)不同,试样表面腐蚀产物很少。观察发现,在腐蚀初期的试样表面完全被深色腐蚀斑覆盖,随着腐蚀天数增长,大量结构疏松的腐蚀产物产生后从试样表面脱落,堆积于腐蚀容器底部,即腐蚀产物易于脱落;在50 d 时,3 种试样表面几乎无腐蚀产物,腐蚀离子溶液中充满大量的Cl-与。Cl-因其拥有较小的半径与较强的穿透能力,易到达金属表面或进入钝化膜[16],此时Cl-对金属产生腐蚀主要体现在Cl-易在氧化膜薄弱处被金属离子吸附后成键,取代氧化膜中的O2-,使得氧化物变为可溶性氯化物或与其形成复盐,局部出现溶解现象,促进腐蚀的进行[17];则可自由穿过疏松的腐蚀产物层到达金属表面引发点蚀[18-20],加剧腐蚀的进行。

图3 试验钢在腐蚀溶液中的宏观腐蚀形貌Fig.3 The macroscopic corrosion morphology of the tested steels in corrosion solution

图3(c)为成垢离子溶液中试样表面的腐蚀形貌。腐蚀初期,试样表面均产生少量腐蚀产物附着,并可观察到腐蚀斑的产生。随着腐蚀过程的进行,Hardox450 和ANM450 试样表面锈蚀较为疏松,容易在移动过程中脱落,而Ti60 表面生成的腐蚀产物较为致密。随腐蚀时间增加,表面锈蚀层加厚,且锈蚀层较致密,这可能是Mg2+、Ca2+形成的成垢物质不断沉积在试样表面所致。相比而言,Ti60 表面的垢层较其他2 种钢相对致密,不易脱落。

图3(d)为模拟矿井水溶液中试样表面的腐蚀形貌。其腐蚀表面形貌介于腐蚀离子溶液与成垢离子溶液之间,即表面有腐蚀产物沉积,但数量较成垢离子溶液少。分析可知,在矿井水中同时存在腐蚀离子Cl-、与成垢离子Ca2+、Mg2+。腐蚀离子Cl-和对钢材腐蚀有促进的作用,成垢离子溶液中Ca2+、Mg2+易在材料表面形成致密的垢层,阻碍腐蚀的进行。由图3可知,模拟矿井水对钢的腐蚀作用介于离子腐蚀与成垢离子腐蚀之间。

2.2.2 均匀腐蚀性能

图4分别为Hardox450、Ti60 与ANM450 3 种钢在去离子水、腐蚀离子溶液、成垢离子溶液、模拟矿井水溶液中的腐蚀失重测试结果。可以看出,腐蚀初期,3 种钢的腐蚀失重较小。随着腐蚀天数的增长,钢的腐蚀失重加大。在4 种溶液中,钢在腐蚀离子溶液中腐蚀失重最大,其次为模拟矿井水溶液、成垢离子溶液,去离子水中失重量最小。从3种钢的耐腐蚀性能看,Ti60 钢的耐蚀性最好,Hardox450 钢次之,ANM450 钢的耐蚀性较差。

图4 试验钢在腐蚀溶液中的均匀腐蚀失重Fig.4 Uniform corrosion weight loss of the tested steels in corrosion solutions

2.3 腐蚀产物分析

对模拟矿井水中的腐蚀产物进行XRD 图谱分析结果见图5,其腐蚀产物主要为铁锈,成分为Fe2O3、Fe(OH)3、α-FeO(OH)。说明在整个腐蚀过程中,阳极主要发生铁的溶解,即Fe 失去电子生成Fe2+。3 种耐磨钢的XRD 图谱差别不大。

图5 试验钢在模拟矿井水中腐蚀产物XRD 图谱Fig.5 XRD pattern of corrosion products of the tested steels in simulated mine water

2.4 不同介质中的电化学腐蚀结果

在电化学腐蚀试验中,采用动电位扫描法测得极化曲线。对其极化曲线进行拟合即可得到相应的腐蚀速度Rcorr。图6为在4 种腐蚀溶液中的极化曲线,表3为将极化曲线拟合计算出的耐磨钢腐蚀参数。

在中性与弱碱性溶液中,3 种耐磨钢主要发生吸氧腐蚀,电极反应速度主要受溶解氧的扩散控制[21]:

阳极电极反应为:Fe→Fe+2e-

阴极电极反应为:O2+2H2O+4e-→4OH-

4 种腐蚀溶液中,从自腐蚀电位上看,ANM450均有最低的自腐蚀电位,Ti60 则有较高的自腐蚀电位。从热力学的角度分析,自腐蚀电位代表了腐蚀进行的难易程度;从动力学角度分析腐蚀速度,Ti60 的腐蚀速度较慢,ANM450 腐蚀速度最快。综上可看出, ANM450 最不耐腐蚀, Ti60 钢较Hardox450 钢的耐蚀性更好。

表3和图6的电化学测试结果与图4均匀腐蚀结果一致,即在4 种腐蚀溶液中,耐磨钢腐蚀倾向在腐蚀离子溶液与模拟矿井水中较大,在成垢离子溶液与去离子水中较小。说明腐蚀离子Cl-和对钢材腐蚀的促进作用,成垢离子溶液中易在材料表面形成致密垢层的Ca2+、Mg2+对腐蚀有阻碍作用。

表3 试验钢在腐蚀溶液中的腐蚀参数Table 3 Corrosion parameters of the tested steels in corrosive solutions

图6 试验钢在腐蚀溶液中的极化曲线Fig.6 Polarization curves of the tested steels in corrosive solutions

2.5 耐磨钢的耐蚀性分析与展望

综合2.2 节与2.4 节的结果,ANM450 体现出稍差的耐蚀性,而Ti60 的耐蚀性较优。结合表1中试验钢的化学成分可看出,ANM450 中含有较高的Mn、Ni、Si 元素。Mn 与Ni 是有效的奥氏体稳定化元素;Si 则可抑制渗碳体析出,从而保证C 以固溶形式向奥氏体中分配,有助于提高残留奥氏体稳定性。考虑ANM450 中可能存在微量的残余奥氏体,在腐蚀溶液中可能存在相间电位差,导致耐蚀性稍差,但在图1和图2中未明显观察到奥氏体。因此, 对其腐蚀机理还需进一步研究。而Hardox450 与Ti60 中存在相对较高的Cr,耐蚀性稍好。

3 结论

(1) 新型耐磨钢Ti60 与ANM450 的显微组织主要为板条马氏体+微纳米TiC 颗粒,Ti60 钢的耐蚀性稍优于ANM450。

(2) 耐磨钢在4 种不同溶液中的耐腐蚀性能不同。腐蚀离子Cl-、有较强的腐蚀作用,耐磨钢在腐蚀离子溶液中的失重最大,腐蚀电流最大,腐蚀速度最快。成垢离子溶液中Ca2+、Mg2+易在材料表面形成较致密的垢层,阻碍腐蚀的进行。耐磨钢在模拟矿井水中的腐蚀介于腐蚀离子溶液和成垢离子溶液之间。

(3) 耐磨钢在溶液中主要的腐蚀产物为铁锈,其主要成分为Fe2O3、α-FeO(OH)和Fe(OH)3,说明腐蚀反应主要是铁在溶液中的溶解。