船用零件老化检测平台的改进

1、闽南理工学院 毕业设计（论文）题 目 船用零件老化检测平台的改进 系 别 光电与机电工程系专 业 机械设计与制造 班 级 1210161 学 号 121016144 姓 名 马周 指导教师 刘伟 完成时间 2015年5月25日 评定成绩 教务处制二零一伍年 六 月 一 日闽南理工学院毕业设计（论文）专用笺+摘 要随着我国海洋事业的发展，我国船用零件业越来越多，而且越越复杂。海洋环境是一种非常严酷的腐蚀环境，各种材料在使用过程中始终面临着恶劣的海洋腐蚀环境，由海水腐蚀造成的零件老化所引发事故的经济损失所占的比例相当高。目前对船用零件性能的评价方法主要是实海挂片试验，该方法的优点是实验环境条件真实

2、，操作简单，结果比较可靠。本文主要研究船用零件在不同实验环境条件下的老化性检测平台。通过电化学试验，探讨了不同的实验环境条件对材料的腐蚀的影响，得到了材料在不同实验条件下的腐蚀规律，找出不同试验条件下的船用零件老化检测数据的平台。关 键 词: 海洋环境；船用零件；老化检测；腐蚀Improved Marine Parts aging test platformABSTRACT：With the development of Chinas marine industry, Chinas marine parts industry more and more, and the more the mo

3、re complex. The marine environment is a very harsh corrosive environments, a variety of materials in use are always faced with the harsh marine environment corrosion by seawater corrosion caused economic losses arising from aging of the proportion of accidents is very high. Marine current part perfo

4、rmance evaluation method is mainly to sea coupon test, the advantages of this method is that the real test environment conditions, simple operation, the results are more reliable.This paper studies the marine parts under different environmental conditions of aging experiments testing platform. By el

5、ectrochemical experiment to study the effects of different environmental conditions on the corrosion test material obtained material corrosion rule under different experimental conditions, identify marine parts under different experimental conditions aging test data platform. Keyword：Marine parts Ag

6、ing test Corrosion目 录前言11船用零件海洋环境老化速度测量技术21.1 重量法21.2 气体容量法21.3 电阻法22 海洋环境对船用零件老化的影响32.1 溶氧量对零件老化的影响32.2 温度对零件老化的影响32.3 含盐度对零件老化的影响43 船用零件老化检测平台模拟实验分析53.1 常温下海水对零件影响53.2 含氧量对零件老化的影响63.3 海水浸泡时间的影响64船用零件海水防老化的策略84.1改善金属的本质84.2形成保护层84.3非金属涂层84.4金属保护层8参考文献9致谢10前言海洋占有世界的70%的面积，所以说开发海洋资源是非常重要的。二十一世纪是海洋的世纪

7、，辽阔无际的海洋蕴藏着数不清的丰富海洋生物资源以及海洋矿物质资源，它像一个天然的宝库，等待着人类去探索和开发。据相关权威机构披露，世界上众多国家己经将开发海洋提升到国家发展战略的高度。与此同时，伴随着整体科技发展水平的不断提高，我国向海洋迈进的步伐也逐渐加快，如何更加合理、有效地开发和利用海洋资源己逐渐成为广大科技人员关注和研究的焦点。古语云:知己知彼，百战不殆。要想合理有效地开发和利用海洋资源，首先就要了解海洋。海水是自然界中数量最多而且具有很强腐蚀性的多元电解质溶液，主要含有3.2%-3.75%的钠离子等多种盐类，溶解有氧和二氧化碳等气体还有大量海生物。海水的盐度、PH值、温度、溶解氧量随

8、海水深度、地理位置、季节的不同而有所变化。而要想合理、有效地开发利用海洋资源，关键在于开发出适合特定海洋环境下使用的材料。当然，结合海水独特的性质，影响材料在海洋环境中腐蚀的因素很多，其中包括化学的(氧、盐、碳酸盐、有机化合物、污染物等)、物理的(温度、流速、压力等)和生物的因素。这些因素的作用常常是相互关联的，他们不但对不同金属的影响不一样，就是在同一海区对同一种金属的影响也因金属在海水中所处的部位(飞溅区、潮差区、全浸区、深海区、海泥区)不同而异。正因为有如此多可能导致差异的因素的存在，才使得材料，特别是金属材料在海水中的腐蚀研究变得极为重要，并且也是极为复杂。对于金属材料在实际海水中的腐

9、蚀研究，长久以来，研究人员大多采用在实际海域中长周期挂样的方法，研究材料在特定环境、特定气候条件下的腐蚀情况。采用这种研究方法，可以得到某种材料在特定环境下、不同挂样周期的耐蚀性的第一手数据资料。第 0 页 共 15 页1船用零件海洋环境老化速度测量技术钢铁材料老化速度的测定方法很多，常规的直接测试技术包括重量法、气体容量法、电阻法和电化学方法等。1.1 重量法由于腐蚀作用、材料的重量会发生系统的变化，这是重量法测定材料抗蚀能力的理论基础。虽然发展了很多新的腐蚀研究方法、但重量法仍然是最基本的定量评定腐蚀的方法、并得到了广泛的应用。重量法简单直观、适用于实验室和现场试验，它分为增重法和失重法两

10、种。当腐蚀产物牢固地附着在试样上、又几乎不溶于溶液、也不为外部物质所站污、这时可以用增重法测定腐蚀破坏程度。增重法适用于评定全面腐蚀和晶间腐蚀、而不适用于其他类型的局部腐蚀。这种方法的一个严重缺点是数据的间接性、即得到的数据包括腐蚀产物的重量、究竟多少材料被腐蚀、还需分析腐蚀产物的成分来换算。失重法是一种简单而直接的方法。它不要求腐蚀产物牢固附着在材料表面，也不考虑腐蚀产物的可溶性、因为试验结束后必须从试样上清除全部腐蚀产物。失重法直接表示由于腐蚀而损失的材料重量、不需经过腐蚀产物的化学成分分析和换算。这些优点使其得到广泛的应用。1.2 气体容量法对于伴随析氢或耗氧的腐蚀过程，可通过测量一定时

11、间内的析氢量或耗氧量来计算金属的腐蚀速度，此法称为容量法。它的灵敏度比失重法高得多，而且不必像失重法那样需清除腐蚀产物，在试样的腐蚀过程中，可以测定其瞬时腐蚀速度，从而可以在一个试样上测得腐蚀量与时间的连续关系曲线。它的测定装置简单可靠。量气测定方法也很方便但是只有在腐蚀过程中伴随的析氢量或耗氧量与金属溶解量成摩尔量关系时才可用容量法来测定金属腐蚀速度，否则不能应用。1.3 电阻法电阻法测定金属腐蚀速度是根据金属试样由于腐蚀作用使横截面积减小从而导致电阻增大的原理，通过测量腐蚀过程中金属电阻的变化而求出金属的腐蚀量和腐蚀速度。电阻法测定腐蚀速度不受腐蚀介质的限制，无论气相还是液相，导电的还是不

12、导电的介质均可应用。测量时不必取出试样和清除腐蚀产物，因此可以在生产过程中或自然环境中进行连续监测，可测定腐蚀速度随时间变化的关系曲线，有利于进行腐蚀监控和研究。准确测量电阻一般采用精确的电桥法，由于金属的电阻对温度变化敏感，测量技术中应解决温度补偿问题。2 海洋环境对船用零件老化的影响2.1 溶氧量对零件老化的影响对于海洋，不同领域有不同的界定。按照中国大百科全书定义，海洋指200m以下的海洋环境，在军事领域通常将海洋定义为300 m以下的海洋环境。海洋是一种苛刻的腐蚀环境，尤其对于金属而言是高腐蚀性环境，其中的氧浓度、光照量、pH值、温度、盐度、流速等条件与浅海环境中的含量大不相同。中国船

13、舶重工集团公司第七二五所青岛分部的侯建等人研究了海洋环境因素对碳钢的腐蚀行为的影响，得出碳钢和低合金钢在海洋环境中的腐蚀速度与温度、溶解氧、盐度、pH值等海水环境因素密切相关。其中，溶解氧影响最大。印度国家海洋技术研究所的Venkatesan R等用实海挂片方法研究了碳钢在印度洋中500,1 2003 500S 100 m深度的腐蚀行为，表明海洋环境中氧浓度是影响均匀腐蚀过程的主要因素，中碳钢在海洋中的腐蚀速度随溶解氧氧浓度降低而减小。美国在西海岸太平洋2000m海洋腐蚀试验表明，溶解氧在700m达到最小值后又逐渐增加，金属腐蚀速度与溶解氧变化完全一致。SawantS 等人研究了低碳钢、不锈钢

14、、铜、黄铜及铜镍合金在阿拉伯海和孟加拉海湾浅海、1000-2900 m深处暴露一年的腐蚀行为，发现除了黄铜的腐蚀速度与深度没有关系外，其他材料在2900 m深处比在1000 m深处和在浅海环境下的腐蚀速度更低。在浅海环境下腐蚀率顺序为低碳钢铜铜镍合金黄铜不锈钢，在海洋环境下腐蚀率顺序为低碳钢铜镍合金黄铜铜不锈钢。这些金属的腐蚀速率受到溶解氧含量的控制。美国海军实验室在2060 m深度进行了各种金属与合金腐蚀试验，发现该环境下钢材腐蚀速度与氧含量线性相关。他们还研究了中碳钢AISI1020在阿拉伯海1000-2900m深处浸泡一年的腐蚀行为，发现其在2900 m深处的腐蚀速度小于1000 m深的

15、，并且认为腐蚀速度随深度变化在海洋环境中小于浅海环境。从当前国内外研究的成果来看，在海洋环境其他因素不变的情况下，金属结构的腐蚀速率与氧含量成正比。由于氧含量随着海水的深度降低，故腐蚀速率的变化也应如此。 2.2 温度对零件老化的影响随海水深度的增加，温度是不断变化的。在500m深处的海水温度不到10 0C，在2 000 m深处的海水温度约2 0C，在50m深处的海水温度约10摄氏度。在海面下最初300m时，温度随深度的增加下降很快;在海面下300m至1000 m处时，随深度的增加，温度下降速度减小;在2000 m以下的深海，温度几乎恒定在冰点上下范围内几度。海水的温度不仅会对材料本身的腐蚀行

16、为有所影响，而且还会影响其他腐蚀因素:一方面，温度升高，分子热运动加强，氧气的扩散速度增大，增强了海水的导电性能，使腐蚀速度增快;另一方面，温度升高，海水中的溶氧量减少，同时也促进了保护性钙质水垢的生成，在一定程度上也抑制了金属的腐蚀2.3 含盐度对零件老化的影响多海洋环境中富含盐类，氯盐、硫酸盐等使海洋变成了具有高腐蚀性的环境。含盐度对材料腐蚀的影响主要取决于水溶液比导电率的变化以及氯离子对材料钝化膜的破坏作用。其中，水溶液比导电率与温度和氯离子的浓度有关。研究表明，室温条件下不同浓度的NaCI水溶液中，3%一315%左右质量含量的NaCI水溶液对钢铁的腐蚀最为严重。这主要是因为当盐浓度低于

17、3%时，随盐浓度增加，溶液导电性增加，腐蚀速率上升;当盐浓度高于315%时，氧的溶解度降低及扩散速度减小，腐蚀速率明显下降。海水中的含盐度通常在312%一316%之间，因此，在海水环境下钢铁腐蚀最为严重。在深海环境下，海水中的含盐度约在315%变化幅度非常小。因此，可以认为含盐度在整个海洋环境下对材料的腐蚀是一个常量。3 船用零件老化检测平台模拟实验分析3.1 常温下海水对零件影响如图所示，随浸泡时间的延长，三种材料在室内静水和室内充氧海水的体系中的自腐蚀电位，均由负逐渐变正，但三者之间自腐蚀电位的排列顺序不同:室内静水中的是BAC;而室内充氧海水中的是BCA，室内充氧海水中的自腐蚀电位排序与

18、实海腐蚀的自腐蚀电位排序一致，如图3.1与图3.28所示。这说明，室内充氧海水体系的模拟效果与实海腐蚀结果更为接近，同时也从侧面反映了体系中的含氧量对低合金钢海水腐蚀的影响是极其关键的。图3.1 常温下海水对零件的影响同时，与试样在实海腐蚀中的自腐蚀电位变化一样，在室内静止海水及充氧海水中，开始浸泡时，试片的自腐蚀电位比较正，这是由于试片表面有氧化膜存在的缘故;当试片在海水中暴露时，氧化膜被海水中的C1一破坏，E迅速负移;但随着暴露时间的延长，E又逐渐升高，这是由于锈层在试片表面堆积造成的。随浸泡时间的延长，锈层在试片表面不断堆积。Ecorr的变化反映了暴露期间试片表面腐蚀状态的变化。所不同的

19、是，海水体系中的含氧量对自腐蚀电位的影响表现为不同体系中的电位排序上。3.2 含氧量对零件老化的影响通过图的对比可以看出，室内充氧海水体系下的极化电阻玛、瞬时腐蚀电流密度100%随浸泡时间的变化更接近实海腐蚀条件下极化电阻凡、瞬时腐蚀电流密度80%随浸泡时间的变化。图3.2 含氧量对零件复制影响而且，通过对比两种室内模条件下的极化电阻玛、瞬时腐蚀电流密度，我们发现充氧海水体系的玛小于室内静水浸泡的玛，而前者的浓度则要远大于后者的，充氧海水体系下的腐蚀比静水浸泡更剧烈，也更接近实海腐蚀下的腐蚀速度。究其原因，主要是因为，充氧环境不但使水中的含氧量大为提高，而且以这种充气搅拌的方式间接加速了海水中

20、阴极还原反应所需的氧向反应界面扩散的速度，从而提高了反应控制速度一一阴极还原反应速率，整体上提高了腐蚀速度，相应的极化阻力Rp相比起来就更小。相比于充氧条件，室内静水浸泡，海水是完全静止的，不利于氧的运输和扩散，从而更加限制了阴极还原反应的进行，导致整个阴、阳反应都受到限制，制约了整个腐蚀发生地反应速度。当然，即便是室内充氧海水体系，它的海水相对于实海也有很大差距，其温度要高于海水，注定其中的含氧量要低于正常海水中的值，并且由于室内温度高、会蒸发的缘故，含盐量也会比正常海水要高，这一切都使得充氧海水体系的腐蚀与实际海水依然有差距，比如，室内海水中微生物腐蚀就相对与实海腐蚀就轻，这一点在后面的阻

21、抗谱等效电路的拟合中会比较突出。3.3 海水浸泡时间的影响给出的是不同试样在室内静水浸泡1, 15, 30, 60, 90, 120, 180天的电化学阻抗谱的变化。从图中可以看出，试样浸泡初期，阻抗呈现单一的完整容抗弧，随着浸泡的时间延长，阻抗弧逐渐收缩，并呈现弥散效应，当浸泡4-6个月的时候，阻抗弧呈现低频的Warburg阻抗。图3.32给出的是室内静水浸泡条件下，不同阶段的等效电路图。其中表腐蚀产物膜层电阻，为常相位角元件，分别代表双电层、腐蚀产物层的电容，Wi代表Warburg阻抗。从中可以看出，室内静水浸泡的等效电路中并没有出现代表微生物腐蚀的等效元件，而是出现了Warburg阻抗，

22、这可能是由于锈层的沉积，导致锈层变厚，以致反应离子通过该部分变得艰难，从而使该步骤成为整个反应的控制步骤。说明反应主要受氧的扩散过程控制不同试样在充氧海水体系中浸泡1, 15, 30, 60, 90, 120,180天的电化学阻抗谱的变化。从图中可以看出，随着浸泡时间的延长，阻抗弧半径明显增大，说明腐蚀速度呈递减的趋势，通过图例中表明的比例尺可以看出，充氧海水中的阻抗明显小于静水浸泡的阻抗，说明，虽然充氧海水阻抗明显增大、腐蚀速度递减，但腐蚀速度的绝对值依然远大于静水浸泡的腐蚀速度的绝对值。5给出的是充氧海水不同阶段的等效电路和浸泡6个月时的奈奎斯特图以及拟合结果。其表内外锈层所产生的电容。究

23、其原因，可能是因为，充氧搅拌作用加速了局部腐蚀，从而使锈层聚集地部位缺氧成为一个闭塞区，腐蚀速度较高，内、外锈层都变厚，并且相比较而言更为致密，通过腐蚀产物观察，发现局部产生锈包，锈包较硬，出去外层产物，内部是黑色腐蚀产物，如图所示。图3.3 不同浸泡时间4船用零件海水防老化的策略海洋环境是一种复杂的腐蚀环境。在这种环境中，海水本身是一 种强的腐蚀介质，海洋腐蚀主要是局部腐蚀，即从构件表面开始，在很小区域内发生的腐蚀，如电偶腐蚀、点腐蚀、缝隙腐蚀等。此外，还有低频腐蚀疲劳、应力腐蚀及微生物腐蚀等。通常，金属构件在海洋飞溅区（指风浪、潮汐等激起的海浪、飞沫溅散到的区域）的全面腐蚀速率最高。防止海

24、洋腐蚀的措施除正确设计金属构件、合理选材外，通常有以下几种：4.1改善金属的本质根据不同的用途选择不同的材料组成耐蚀合金，或在金属中添加合金元素，提高其耐蚀性，可以防止或减缓金属的腐蚀。例如，在钢中加入镍制成不锈钢可以增强防腐蚀能力。4.2形成保护层在金属表面覆盖各种保护层，把被保护金属与腐蚀性介质隔开，是防止金属腐蚀的有效方法。工业上普遍使用的保护层有非金属保护层和金属保护层两大类。它们是用化学方法，物理方法和电化学方法实现的。金属的磷化处理，钢铁制品去油、除锈后，放入特定组成的磷酸盐溶液中浸泡，即可在金属表面形成一层不溶于水的磷酸盐薄膜，这种过程叫做磷化处理。磷化膜呈暗灰色至黑灰色，厚度一

25、般为5-10毫米，在大气中有较好的耐蚀性。膜是微孔结构，对油漆等的吸附能力强，如用作油漆底层，耐腐蚀性可进一步提高。金属的氧化处理，将钢铁制品加到NaOH和NaNO2的混合溶液中，加热处理，其表面即可形成一层厚度约为0.5m1.5m的蓝色氧化膜（主要成分为Fe3O4），以达到钢铁防腐蚀的目的，此过程称为发蓝处理，简称发蓝。这种氧化膜具有较大的弹性和润滑性，不影响零件的精度。故精密仪器和光学仪器的部件，弹簧钢、薄钢片、细钢丝等常用发蓝处理。4.3非金属涂层用非金属物质如油漆、塑料、搪瓷、矿物性油脂等涂覆在金属表面上形成保护层，称为非金属涂层，也可达到防腐蚀的目的。例如，船身、车厢、水桶等常涂抽漆

26、，汽车外壳常喷漆，枪炮、机器常涂矿物性油脂等。用塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯等）喷涂金属表面，比喷漆效果更佳。塑料这种覆盖层致密光洁，色泽艳丽，兼具防蚀与装饰的双重功能。搪瓷是含SiO2量较高的玻璃瓷釉，有极好的耐腐蚀性能，因此作为耐腐蚀非金属涂层，广泛用于石油化工、医药、仪器等工业部门和日常生活用品中。 4.4金属保护层它是以一种金属镀在被保护的另一种金属制品表面上所形成的保护镀层。前一金属常称为镀层金属。金属镀层的形成，除电镀、化学镀外，还有热浸镀、热喷镀、渗镀、真空镀等方法。 热浸镀是将金属制件浸入熔融的金属中以获得金属涂层的方法，作为浸涂层的金属是低熔点金属，如Zn、Sn、Pb和A1等，热镀锌主要用于钢管、钢板、钢带和钢丝，应用最广；热镀锡用于薄钢板和食品加工等的贮存容器