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高铬铸铁铝矿浆泵泵壳腐蚀磨损失效分析
李 卫等(广州有色金属研究院耐磨材料研究所 广东广州510650)
摘 要：用扫描电镜等方法对高铬铸铁铝矿浆泵泵壳进行了腐蚀磨损失效分析。结果表明，失效原因是强碱腐蚀与高角度冲蚀磨损的综合作用，而腐蚀所起的作用更为重要。
主题词：高铬铸铁；泵；腐蚀磨损；失效分析
1 引 言
铝矿浆泵是氧化铝厂输送铝矿浆的主要设备，其泵壳、叶轮等过流部件是大量消耗的易损件，其中以泵壳的腐蚀磨损最为严重、使用寿命最短。关于矿浆泵泵壳的失效分析，已有一些报道，但就铝矿浆泵的失效分析报道很少。铝矿浆泵的工况苛刻，高温强碱是主要特点，这一工况与其他矿浆泵明显不同。鉴于高铬铸铁泵壳用得较多，本工作对平果铝业公司氧化铝厂失效的高铬铸铁铝矿浆泵泵壳，进行失效分析，了解失效机制，为选材和提高使用寿命提供依据。
2 泵壳的工况条件
铝矿浆泵LC250.580用于输送经研磨后的铝矿浆。一般入泵铝矿石粒度小于1mm，矿浆浓度40X%～45X%。泵流量630m3öh。矿浆整体流向为由左至右。矿浆碱浓度230göL(Na2O)，pH>14，温度80～100℃。铝矿主要为水硬铝石，成分(X%)：Al2O360～65，Fe2O314～17，SiO23.5～4.5，TiO23.5～4.5。铝矿莫氏硬度7。
3 分析方法
首先对泵壳残体进行成分、组织、性能及宏观形貌分析，然后进行腐蚀磨损微观失效分析，借助JCXA2733型电子探针扫描电镜，观察分析失效泵壳腐蚀磨损最严重部位的形貌及45°角斜切面亚表层特征。
为了区分泵壳的腐蚀和磨损特征，又在试验室中取泵壳材料做了50%NaOH碱溶液(pH>14)，95℃，168h的挂片腐蚀试验，以对比分析泵壳在高温强碱铝矿浆条件下的腐蚀特征。
4 分析结果与讨论
4.1 泵壳化学成分、组织与性能分析
泵壳化学成分见表1。
泵壳的显微组织为M+M7C3+Fe3CÊ+A残，为高铬铸铁淬火回火态组织。硬度为58HRC，冲击韧度ak≥5J/cm2。
4.2 泵壳失效宏观分析
泵壳靠近轴孔的端面区域腐蚀磨损最严重，见图1。沿圆周分布有许多腐蚀磨损沟槽，每一沟槽顺矿浆流向由尖窄变宽，由浅入深。泵壳局部沟槽再腐蚀磨损至穿透而失效报废。
图1 泵壳腐蚀磨损宏观形貌
图2 前尖部腐蚀磨损形貌 1000×
4.3 泵壳腐蚀磨损失效微观分析
泵壳腐蚀磨损沟槽前尖部形貌见图2，其斜切面形貌见图3、4。
泵壳腐蚀磨损沟槽后底部形貌见图5，其斜切面形貌见图6。
图3 前尖部斜切面腐蚀磨损形貌 2000×
图4 前尖部斜切面腐蚀磨损形貌 1500×
图5 后底部腐蚀磨损形貌 1000×
图6 后底部斜切面腐蚀磨损形貌 1000×
泵壳材料试验室高温强碱腐蚀形貌和斜切面形貌分别见图7、8。首先将泵壳沟槽前尖部、后底部的腐蚀磨损特征与其材料纯腐蚀特征对比(图2、5与图7对比，图3、6与图8对比)，它们十分相似。同时具有碳化物相界腐蚀沟槽，基体活化腐蚀剥落，基体碱脆裂纹即阳极溶解型应力腐蚀开裂等共同特征。由此推断泵壳运行过程中，受到很强烈的腐蚀。
图7 泵壳材料试验室高温强碱腐蚀形貌 1000×
图8 泵壳材料试验室高温强碱腐蚀后斜切面形貌 2000×
再将沟槽前尖部与后底部的腐蚀磨损情况进行对比，可见前尖部碳化物相界腐蚀更显著(图3单箭头)，基体剥落坑又大又深(图3双箭头)，基体碱脆裂纹更加明显(图4箭头)，亚表层裂纹扩展相连(图3单箭头)，整个基体腐蚀磨损剥落而显示更加粗糙高低起伏(图2)，难以见到显微切削的痕迹；而后底部则不同，虽然也有相界腐蚀(图6箭头)碱脆裂纹(图6双箭头)，但不如前尖部严重。且整个基体腐蚀磨损剥落不如前尖部明显。由此判断前尖部的腐蚀磨损比后底部严重。
沟前尖部受到较高角度的冲蚀磨损。图2中碳化物左低右高，说明冲刷来自左上方，即为较高角度的冲蚀，因而腐蚀磨损比较严重；而后底部受到的是低角度冲蚀磨损(图5双箭头所示显微切削的部分痕迹，表明后底部承受的是低角度冲蚀磨损)，其作用当然不如前者。
综上所述，泵壳失效的根本原因是高温强碱腐蚀与较高角度冲蚀磨损的综合作用，其中腐蚀所起的作用更为重要。严重的碳化物相界腐蚀使碳化物与基体分离，失去了良好的支撑，在高角度冲蚀磨损过程中逐渐断裂剥落，即腐蚀促进了磨损；强烈的基体“碱脆”，即阳极溶解型应力腐蚀开裂，显微裂纹萌生与扩展，加剧了冲蚀磨损，促使基体不断剥落；泵壳材料自身耐高温强碱腐蚀性能不佳，基体活化溶解剥落也是失效原因之一；矿浆对泵壳的冲蚀特别是高角度冲蚀磨损，不仅使材料直接流失，又使材料产生较大的应力，更促进了腐蚀，加速了碱脆裂纹的萌生与扩展。
根据以上的分析，在此苛刻工况下高铬铸铁作为泵壳材质并不理想，在保证较高硬度的前提下，应选择具有更好抗强碱腐蚀性能和有适当韧性的材质，当然也要有合理的性能价格比。
5 结 论
(1)高铬铸铁泵壳腐蚀磨损失效的原因是强碱腐蚀与较高角度冲蚀磨损的综合作用，而腐蚀所起的作用更为重要。
(2)高温强碱性铝矿浆使泵壳产生严重的碳化物相界腐蚀，基体碱脆裂纹和活化腐蚀溶解。较高角度的冲蚀磨损加剧了这一过程。而严重的腐蚀又促进了冲蚀磨损。在此苛刻工况下，高铬铸铁作为泵壳材质并不理想。
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