直冷式鑄造機(jī)液壓缸柱塞表面腐蝕的原因分析與控制措施

孫躍鋒，王進(jìn)良，劉金朋

(河南中孚實(shí)業(yè)股份有限公司，河南鞏義451261)

近幾年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)鋁加工行業(yè)的蓬勃發(fā)展，許多大型鋁加工廠紛紛上馬先進(jìn)的全自動(dòng)扁錠生產(chǎn)線。公司2009年從美國(guó)wagstaff引進(jìn)LHC超低液位全自動(dòng)直冷式鑄造機(jī)，采用液壓缸升降的方式進(jìn)行控制，經(jīng)過(guò)近半年的運(yùn)行，發(fā)現(xiàn)鑄造液壓缸柱塞表面出現(xiàn)區(qū)域點(diǎn)狀腐蝕現(xiàn)象。隨后，公司組織技術(shù)人員和wagstaff公司工程師進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)觀察、測(cè)量和相關(guān)試驗(yàn)，對(duì)液壓缸柱塞表面腐蝕的形成原因進(jìn)行分析，制定出了相應(yīng)的控制措施并成功地應(yīng)用于生產(chǎn)實(shí)踐。

1 液壓缸柱塞表面腐蝕特征

由圖1(部分腐蝕區(qū)域的照片)可以看到液壓缸柱塞表面腐蝕的主要形態(tài)是孔蝕和片狀脫落，腐蝕面形狀不規(guī)則，大小不一，最大孔直徑約1mm，中心發(fā)黑，外圍鍍鉻層損壞、光澤度降低、表面粗糙。從位置分布上看，在柱塞高度方向上大約有2.5m長(zhǎng)，腐蝕區(qū)域上線基本與停機(jī)時(shí)井底殘留循環(huán)水液面一致，高度與水深基本相同，在區(qū)域內(nèi)腐蝕點(diǎn)呈隨機(jī)分布，上部比下部更為嚴(yán)重，靠近接近開(kāi)關(guān)側(cè)比鄰近兩側(cè)和相反側(cè)的單位面積內(nèi)腐蝕點(diǎn)更多、更嚴(yán)重，接近開(kāi)關(guān)的相反側(cè)腐蝕點(diǎn)最少，腐蝕程度最小。

2 液壓缸的使用狀況

圖1 柱塞表面腐蝕照片

圖2 鑄造機(jī)停機(jī)位置示意圖

wagstaff鑄造液壓缸柱塞材料為不銹鋼離心式鑄造中空結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)整體鍛造機(jī)械加工而成，外層采用鍍鉻防腐。液壓缸整體安裝在鑄井底部，通過(guò)柱塞的伸縮來(lái)實(shí)現(xiàn)鑄造機(jī)頂板的升降，鑄井一側(cè)墻壁上安裝有測(cè)量鑄造平臺(tái)位置的接近開(kāi)關(guān)，接近開(kāi)關(guān)的護(hù)罩為不銹鋼材質(zhì)，與墻壁之間采用膨脹螺栓連接。

柱塞通常直接工作在鑄造用工業(yè)循環(huán)水中，并有部分柱塞在鑄造機(jī)停機(jī)時(shí)一直浸在鑄井底部殘留的水中，水位由液位開(kāi)關(guān)和排水泵控制，停機(jī)水位淹沒(méi)最低位接近開(kāi)關(guān)的部分護(hù)罩，如圖2所示為停機(jī)狀態(tài)。生產(chǎn)前期鑄造機(jī)整體運(yùn)行率不高，在發(fā)現(xiàn)表面腐蝕情況前較長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)鑄造機(jī)處于停運(yùn)狀態(tài)，并且鑄井底部一直殘留有一定深度的鑄造循環(huán)水。

3 液壓缸柱塞表面腐蝕原因分析

從液壓系統(tǒng)理論和生產(chǎn)實(shí)踐可知，液壓缸柱塞表面遭受破壞的原因主要有:液壓油內(nèi)含有腐蝕性物質(zhì)或液壓油進(jìn)水后乳化，機(jī)械磨損，氣蝕和金屬電化學(xué)腐蝕。

3.1 液壓油內(nèi)含有腐蝕性物質(zhì)或液壓油進(jìn)水后乳化

由于發(fā)現(xiàn)的柱塞面腐蝕區(qū)域較長(zhǎng)時(shí)間處于油缸外部，且通過(guò)油品檢驗(yàn)，液壓油各項(xiàng)指標(biāo)正常，故可排除液壓油的雜質(zhì)腐蝕原因。

3.2 機(jī)械磨損

大多是因?yàn)橐簤河椭袚诫s硬度較大的顆粒或活塞本身磨損產(chǎn)生的鐵粉在液壓缸運(yùn)行過(guò)程中對(duì)柱塞表面造成擦傷，鍍鉻層脫落后造成損傷部位腐蝕惡化。另外，負(fù)載不均勻造成柱塞過(guò)度偏磨，也會(huì)損傷偏磨部位的鍍鉻層，導(dǎo)致腐蝕。

因腐蝕點(diǎn)為區(qū)域性不規(guī)則分布，故排除機(jī)械擦傷原因。

3.3 氣蝕

產(chǎn)生氣蝕的主要原因是液壓系統(tǒng)中存在一定量的空氣，流動(dòng)的壓力油液在局部位置壓力下降(流速高，壓力低)，達(dá)到飽和蒸汽壓或空氣分壓時(shí)，產(chǎn)生蒸汽和溶解氣體的分離而形成大量氣泡;當(dāng)油液中的氣泡從局部低壓區(qū)流向高壓區(qū)時(shí)，氣泡破裂消失，在破裂消失過(guò)程中形成局部高壓和高溫，金屬表面被氧化剝蝕，與流體接觸的金屬表面上發(fā)生洞穴狀腐蝕破壞的現(xiàn)象為氣蝕。氣蝕的特征是先在金屬表面形成許多細(xì)小的麻點(diǎn)，然后逐漸擴(kuò)大成洞穴。

總有人說(shuō)衛(wèi)士才是路虎品牌最為硬派的代表，但路虎發(fā)現(xiàn)的可貴之處卻在于它是路虎品牌取得長(zhǎng)足發(fā)展的成功支柱。

經(jīng)過(guò)對(duì)鑄造機(jī)液壓系統(tǒng)的仔細(xì)檢查，并未發(fā)現(xiàn)管道和油缸的任何接頭和密封有松動(dòng)和漏油的現(xiàn)象，油泵未出現(xiàn)異常震動(dòng)和噪音，液壓缸與柱塞之間的密封并未有損壞，柱塞升降平穩(wěn)，頂板沒(méi)有顫動(dòng)現(xiàn)象。說(shuō)明系統(tǒng)中并未存在過(guò)量的空氣。

整個(gè)工作過(guò)程中，液壓缸的運(yùn)行壓力不高。在開(kāi)始鑄造時(shí)，正常的液壓缸壓力大約1.03Mpa，在鑄造結(jié)束時(shí)則為3.1Mpa，整個(gè)壓力變化的過(guò)程歷經(jīng)2個(gè)小時(shí)左右，并未存在壓力急劇變化的情況。

液壓缸設(shè)計(jì)有專用的排氣油路，操作工和維修工進(jìn)行定期排氣;并且鑄造機(jī)的運(yùn)行率不高，故排除氣蝕原因。

3.4 金屬電化學(xué)腐蝕

當(dāng)金屬被放置在水溶液中或潮濕的大氣中，金屬表面會(huì)形成一種腐蝕微電池，在陽(yáng)極上發(fā)生氧化反應(yīng)，使陽(yáng)極發(fā)生溶解，陰極上發(fā)生還原反應(yīng)，通過(guò)此氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生的腐蝕稱為電化學(xué)腐蝕。

腐蝕電池的形成原因主要是由于金屬表面吸附了空氣中的水分，形成一層水膜，空氣中CO2，SO2，NO2等氣體會(huì)溶解在這層水膜中，形成電解質(zhì)溶液，而浸泡在這層溶液中的金屬又總是不純的。如工業(yè)用的鋼鐵，實(shí)際上是合金，即除鐵之外，還含有石墨、滲碳體(Fe3C)以及其它金屬和雜質(zhì)，它們大多數(shù)沒(méi)有鐵活潑。這樣形成的腐蝕電池的陽(yáng)極為鐵，鐵不斷失去電子而被氧化腐蝕，而陰極為雜質(zhì)，一般只是傳遞電子，又由于鐵與雜質(zhì)緊密接觸，使得腐蝕不斷進(jìn)行。

為了證實(shí)液壓缸柱塞所使用的不銹鋼材料在一定的條件下是否會(huì)發(fā)生電化學(xué)腐蝕，WAGSTAFF公司專門(mén)進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)。

試驗(yàn)裝置如圖3所示。

試驗(yàn)容器為非導(dǎo)電材料，容器中盛半箱自來(lái)水，加入少量的鹽增加水的導(dǎo)電性。兩個(gè)不銹鋼鋼管作為試樣放在水箱的兩側(cè)，直徑為3/8英寸和3.5英寸，分別用外層絕緣的導(dǎo)線連接到一個(gè)直流可調(diào)電源的負(fù)極和正極。

隨后將直流電壓增加到24V，保持4個(gè)小時(shí)后減少到6V保持24小時(shí)。在此過(guò)程中發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕速度很快。在不銹鋼管試樣的正面(反相電極的表面)點(diǎn)蝕坑密度明顯高于其他區(qū)域很多(如圖5)。在試樣的左側(cè)與右側(cè)點(diǎn)蝕變得稀少(如圖6)，在反面?zhèn)葞缀鯖](méi)有(如圖7)。

圖3 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖

圖4 3.5英寸鋼管3天后表面腐蝕部分

圖5 3.5英寸鋼管正面密集的點(diǎn)蝕坑

圖6 3.5英寸鋼管側(cè)面點(diǎn)蝕坑

圖7 3.5英寸鋼管平滑的反面

由此試驗(yàn)可以得出結(jié)論:

浸入水中的不銹鋼遇到低電位的金屬物時(shí)會(huì)產(chǎn)生點(diǎn)蝕，點(diǎn)蝕產(chǎn)生的速度與電壓差以及水的導(dǎo)電性相關(guān)。由于更大的電壓差或更高的水導(dǎo)電率會(huì)產(chǎn)生更大的電流，點(diǎn)蝕產(chǎn)生的速度會(huì)越快。但是微小的電流仍然可以導(dǎo)致點(diǎn)蝕的產(chǎn)生，只是速度很低。

受到腐蝕的正極，在向著低電位電極的試樣表面上電流密度更高，這導(dǎo)致向著低電位電極的試樣表面上點(diǎn)蝕坑密度更大。

經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)鑄井墻壁裸露鋼筋頭，鑄井口周?chē)雷o(hù)角鐵，鑄井內(nèi)接近開(kāi)關(guān)防護(hù)罩，鑄井口處控制柜到接近開(kāi)關(guān)之間的端子箱內(nèi)接地線，廠房立柱與液壓缸柱塞之間進(jìn)行測(cè)量直流電壓(mv)，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 鑄井周?chē)鲗?dǎo)體之間的直流電壓

由上表數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，鑄井各點(diǎn)之間存在不同的電壓差，各點(diǎn)接地狀況也不同，特別是液壓缸柱塞與接近開(kāi)關(guān)防護(hù)罩、鑄井墻壁鋼筋頭之間存在著62.2mv的直流電壓差。

同時(shí)我們也對(duì)另外一臺(tái)鑄造機(jī)進(jìn)行了相同的檢測(cè)，各部分之間的電勢(shì)差最大值為1.5mvDC，而且液壓缸柱塞沒(méi)有發(fā)現(xiàn)點(diǎn)蝕現(xiàn)象。

鑄造循環(huán)水為普通工業(yè)水，未經(jīng)任何化學(xué)處理，鑄井內(nèi)循環(huán)水化驗(yàn)結(jié)果 PH值為8.22，導(dǎo)電率為977umhos/cm，略顯偏高。

3.5 腐蝕原因綜合分析結(jié)果

綜合以上原因，認(rèn)為液壓缸柱塞表面產(chǎn)生腐蝕的主要原因是鑄造機(jī)長(zhǎng)期停滯未進(jìn)行生產(chǎn)，液壓缸柱塞通過(guò)循環(huán)水與周?chē)碗娢坏慕咏_(kāi)關(guān)防護(hù)罩等金屬體形成腐蝕電池發(fā)生電化學(xué)腐蝕所致，尤其是較大的直流電壓差所形成的電場(chǎng)和循環(huán)水的高導(dǎo)電率無(wú)異加大了電化學(xué)腐蝕的速度和強(qiáng)度。

4 消除電位差和防止腐蝕點(diǎn)的措施

為了消除電位差的存在和防止腐蝕點(diǎn)的擴(kuò)大，采取了三個(gè)措施:在接近開(kāi)關(guān)防護(hù)罩與液壓缸安裝環(huán)之間采用接地用扁鋼進(jìn)行連接，并進(jìn)行防腐處理;調(diào)整鑄井內(nèi)測(cè)量水位的浮球開(kāi)關(guān)，使每次鑄造完成后鑄井內(nèi)水位降至最低;改變停機(jī)期間液壓缸柱塞的停止位置，盡量避免腐蝕點(diǎn)與循環(huán)水長(zhǎng)時(shí)間接觸。

5 防止鑄造機(jī)柱塞表面產(chǎn)生腐蝕的措施

為了最大限度地防止鑄造機(jī)液壓缸表面的腐蝕，在選擇質(zhì)量可靠的液壓缸和液壓油的前提下，平時(shí)要做好如下幾個(gè)方面:做好液壓系統(tǒng)的維護(hù)，防止漏油進(jìn)水和進(jìn)氣并定期排氣;經(jīng)常檢查主缸的密封，并及時(shí)清理和更換;定期檢查分析液壓油油質(zhì)，循環(huán)水水質(zhì)，并做到及時(shí)更換;安裝和生產(chǎn)階段注意檢查液壓缸與周?chē)鞑糠值倪B接，保證良好的接地和相同電勢(shì)，減少電化學(xué)腐蝕;在長(zhǎng)時(shí)間停運(yùn)期間要排除鑄井中殘留的循環(huán)水。

6 結(jié)語(yǔ)

(1)液壓缸柱塞表面腐蝕的主要原因是接近開(kāi)關(guān)防護(hù)罩與液壓缸柱塞之間存在電位差，實(shí)施有效控制措施后，經(jīng)過(guò)幾個(gè)月的運(yùn)行，再次對(duì)柱塞表面進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)腐蝕點(diǎn)數(shù)并無(wú)明顯增多，原腐蝕點(diǎn)未出現(xiàn)明顯惡化擴(kuò)大;

(2)通過(guò)液壓系統(tǒng)的合理維護(hù)，加強(qiáng)直冷式鑄造機(jī)生產(chǎn)運(yùn)行管理，能有效防止鑄造機(jī)柱塞表面產(chǎn)生腐蝕。

［1］劉延俊.液壓系統(tǒng)使用與維修［M］，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006.5

［2］張應(yīng)龍.液壓維修與技術(shù)問(wèn)答［M］，北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2008.5

［3］Wagstaff公司關(guān)于液壓缸柱塞表面腐蝕情況的報(bào)告