高铬铸铁A49的耐磨耐蚀性探讨
张山纲
【摘 要】针对A49合金制造的脱硫泵叶轮常出现的过早腐蚀失效问题,试验了不同成分的A49合金,试验表明:随着合金中Mo、Ni、Cu质量分数的增加,腐蚀电极电位增高,腐蚀电流下降,腐蚀速率下降. 【期刊名称】《铸造设备与工艺》
【年(卷),期】2013(000)004
【总页数】7页(P28-33,51)
【关键词】A49;脱硫泵叶轮;腐蚀磨损;腐蚀
【作 者】张山纲
【作者单位】石家庄强大泵业集团,河北石家庄 050035
【正文语种】中 文
【中图分类】TG143.9
目前我国用于烟气脱硫循环泵（以下简称为脱硫泵）叶轮的主要材料是含碳约1.5%的低碳耐蚀耐磨高铬铸铁，其成分为 w（C）1.5%，w（Cr）28%，w（Mo）2.0%，w（Ni）2.0%，w（Cu）1.5%（以下简称为A49）.该合金制造的脱硫叶轮在使用中，一般情况下很适用于烟气循环水工况，表现出耐蚀性和耐磨性很好地结合的特征，但是，在某些电厂使用的脱硫泵叶轮，存在着开裂、耐蚀差的问题，关于开裂的问题，笔者在参考文献[13]中进行了探讨，而对于A49在脱硫装置中的耐磨蚀性的讨论则较少。
为了方便讨论，现将有关烟气脱硫的有关技术参数简略地介绍一下。循环水含有很高的Cl-离子量，能抵消其他有效阳离子的脱硫作用。同时，循环泥浆中的固体颗粒与叶轮表面在高速下接触，有特殊的腐蚀磨损问题[1]。表1是石家庄强大泵业集团取自不同电厂脱硫泵所输送的循环浆料水质分析的结果，循环水含有很高的硫酸根离子（SO2-4）和氯离子（Cl-），对过流件的腐蚀作用很强。总之，脱硫应用于腐蚀性强的磨蚀工况。
表1 电厂循环浆液水质分析项目结果（mg/L）序号 电厂 氟化物（F-）SO2-4+Cl-（A+B）[注]1漳泽 26.429.491894.7180.1280.72362.12074.82临河 9.6137.931933.7944.5158.62882.62878.23荷泽144.0832.5520337.35261.2175.727124.425598.5注：pH 3～11，A+B＜500为弱腐蚀；pH 3～11，A+B≥500为中等腐蚀；表中3种情况都属于强腐蚀。硝酸盐（N O-3）硫酸盐（SO2-4）氯化物（Cl-）重碳酸盐总硬度（CaCO3）
从A49合金的本身去探讨其在脱硫过程中耐磨蚀性，以便在生产中控制好影响A49耐蚀性的因素：保护钝化膜、钝化膜耐冲刷、经冲刷的钝化膜能立刻修复、钝化膜适应浓度很高的硫酸根离子（SO2-4）和氯离子（Cl-）的强腐蚀介质。
1 试验经过和结果
试验的试样化学成分列于表2.试验中A49 Mo1试样，主要检验当A49合金中Mo质量分数降低时对耐蚀性的影响；无Mo试样主要是检验在不添加Mo的A49合金，当添加能够提高基体电极电位和像Mo一样具有缓蚀作用的Ni，以检验该类合金的耐蚀性。
热处理：A49 Mo2和A49 Mo1是按照A49热处
表2 A49试验的化学成分（质量分数，%）试样 CSi MnCr Mo Ni CuN B Ti1#E R A49 Mo11.621.500.7828.001.001.821.60 A49 Mo21.501.630.6727.302.041.811.63 A49 Ni 41.531.440.4130.830.003.822.020.10.0040.00.5 A49 Ni 3 Cu 21.501.550.4631.850.002.822.190.20.0040.00.7 A49 Ni 2 Cu 41.372.030.3833.800.002.493.710.150.30.150.5
理工艺规程进行，在850℃保持5 h.该工艺规程是根据A49合金的基体是铁素体组织，在凝固冷却过程中产生的晶界贫铬，能够像高铬铁素体不锈钢那样，在650℃～850℃适当保温就能消除晶界的贫铬现象，而提高合金的耐蚀性。其他试样，热处理温度分别为1000℃（按照奥氏体不锈钢那样消除晶界贫铬，以保证合金耐蚀性）和850℃.热处理后硬度的检测结果列于表3.
表3 A49热处理后硬度检测结果合金 试样编号 热处理/℃ 硬度（H R C）A49 Mo1185045 A49 Mo2285045 A49 Ni 4-1390041 A49 Ni 4-2800 A49 Ni 3 Cu 2-14100041 A49 Ni 3 Cu 2-2585040 A49 Ni 2 Cu 4-17100042 A49 Ni 2 Cu 4-2885038
腐蚀试验：腐蚀试样为φ15 mm×4 mm试样，一组3个.腐蚀介质：3.5%氯化钠+1.0%氟化
钾+硫酸+水，pH=3.腐蚀温度：25℃.检测项目：腐蚀电位、腐蚀电流、腐蚀速率钝化范围和相对腐蚀速率。腐蚀试验结果列于表4.
试验结果表明，A49 Mo2具有很好的硬度和耐蚀性，A49 Mo1合金中Mo质量分数减少时，耐蚀性降低，不添加Mo、提高Cr、Ni和Cu质量分数的 A49Ni4、A49Ni3 Cu2和A49Ni2 Cu4三种试样，均表现出较好的耐蚀性，但硬度较低。
表4 A49腐蚀电位和腐蚀结果试样A49 Mo1 A49 Mo2 A49 Ni 4-1 A49 Ni 4-2 A49 Ni 3 Cu 2-1 A49 Ni 3 Cu 2-2 A49 Ni 2 Cu 4-1腐蚀电位/m v腐蚀电流/μA·cm-2相对腐蚀电流腐蚀速率/μm·y-1钝化范围相对腐蚀速率-50786.0671.134929.52 无明显变化 1.134-54675.861.000819.29 E c--350 m v有钝化 1.000-45447.500.62513.00 E c--350 m v有钝化 0.626-47848.050.646518.94 E c--350 m v有钝化 0.633-46352.170.668563.44 E c--350 m v有钝化 0.688-48350.110.660541.19 E c--350 m v有钝化 0.661-46145.460.599490.97 E c--350 m v有钝化 0.599
2 对试验结果的分析
2.1 A49耐烟气脱硫介质磨蚀的充分条件
A49脱硫泵叶轮是在含有固体颗粒的腐蚀料浆中运行，受到磨损与腐蚀交互作用。将浆体腐蚀磨损中材料流失量表示为磨损分量、腐蚀分量和磨损与腐蚀交互作用分量，则下式成立[2]。
式中，W为腐蚀冲蚀磨损造成的材料流失总量，Wcorr为单纯腐蚀失重，Wwear为单纯磨损失重，△W为磨损与腐蚀交互作用失重，△Wc为磨损加速的腐蚀量，△Ww为腐蚀加速的磨损量。随着pH值降低，磨蚀失重量增大，而且交互作用占的比例提高，并以腐蚀加速磨损量项△Ww最为关键。同时，随着磨损的进行，基体表面或者基体与碳化物的边界处移动而形成滑移带，于是出现新生面。这个新生面成为阳极，其余部分为阴极，组成了局部电化学电池。通过局部电池的作用，在新生面上阳极发生溶解，形成腐蚀坑，腐蚀坑前沿的应力集中促进了裂纹的扩展，也促进了腐蚀[3]。
根据公式（1）和（2），在探讨在强腐蚀料浆中使用的A49合金的耐磨蚀性机理时，要将合金的耐蚀性置于第一位，合金的耐磨性也应给予重视。由于A49在脱硫料浆下是选择性腐蚀，即选择的是基体的腐蚀，以及叶轮在运转过程中基体表面的钝化膜处于不断地被冲刷、腐蚀、钝化、钝化膜破坏以及钝化膜修复的过程，因此，A49合金在脱硫介质腐蚀冲刷时能够达到耐磨蚀的充分条件是：
1）基体的表面硬度较高，使其表面耐料浆冲刷，并在冲刷过程中钝化膜不易脱落；
2）基体表面能够产生钝化膜（必要条件）；
3）钝化膜耐 Cl-离子破坏[4]；
4）钝化膜一旦破坏了也被迅速修复（再钝化），防止锈的扩大[4]。
A49耐磨蚀的四个充要条件中，其中第一条是A49合金特有的，其余三条基本上与高铬铁素体（或奥氏体）不锈钢的重要条件相同。
如何能使A49合金满足四个重要条件，我们在下面逐一进行分析讨论。
2.2 硬度对磨蚀的影响
A49的硬度，由两部分构成，其一是共晶碳化物相，其二是基体组织。共晶碳化物对合金硬度的贡献由共晶碳化物类型M7C3及其体积含量所决定，对于C、Cr质量分数已经确定的A49来说，共晶碳化物对硬度的贡献方面可以不再考虑。基体组织对硬度的贡献，是由其基体的主要相决定。A49的基体组织或是铁素体，或是奥氏体。试验中A49 Mo1和A49 Mo
2的基体主要是铁素体，高铬铁素体相的显微硬度高于高铬奥氏体相，再加上Si、Cu在铁素体中固溶强化作用，以及铁素体内仍含有一定量C在热处理冷却过程中对铁素体晶格的畸变强化作用，其显微硬度增加，故宏观硬度也高，达到45 HRC（见表 2）。而提高了 Ni、Cu质量分数的 A49 Ni 4、A49 Ni3 Cu2和A49 Ni2 Cu4试样，由于扩大奥氏体元素Ni和Cu的增加，基体中奥氏体含量增加，因而基体的显微硬度稍低，故这三种试样的宏观硬度都较低一些，经900℃、850℃热处理后硬度分别为41 HRC、40 HRC和 38HRC（见表 2）.
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