模擬海水下316不銹鋼與鈦合金的摩擦學(xué)行為

模擬海水下316不銹鋼與鈦合金的摩擦學(xué)行為

316不銹鋼、哈特羅尼c-277、東南咸豐、太陽(yáng)k555、莫其克郡和ct4鈦合金具有優(yōu)異的耐腐蝕性、優(yōu)異的耐腐蝕性、填補(bǔ)蝕性和耐腐蝕性。可用于石油、天然氣、海洋裝置的海洋環(huán)泵、電子、航空、原子能等領(lǐng)域。這幾種合金在大氣或者海水中會(huì)生成保護(hù)膜,處于鈍化狀態(tài)而防腐,但在摩擦作用下易于擦傷而導(dǎo)致鈍化膜破壞,腐蝕加劇。海水環(huán)境中的摩擦學(xué)研究具有重要意義,能夠?yàn)樗聶C(jī)器人、深海設(shè)備、海上采油平臺(tái)等海洋設(shè)備的開(kāi)發(fā)和利用提供支持。腐蝕磨損一般是指發(fā)生在腐蝕介質(zhì)中的磨損現(xiàn)象,是力學(xué)因素、化學(xué)因素以及電化學(xué)因素以及它們交互作用的結(jié)果,腐蝕作用的存在使得摩擦學(xué)的研究變得復(fù)雜。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)腐蝕介質(zhì)中金屬材料的摩擦行為進(jìn)行了大量的研究,Watson等總結(jié)了金屬腐蝕磨損交互作用的研究結(jié)果,指出金屬腐蝕磨損的研究重點(diǎn)應(yīng)該是腐蝕磨損協(xié)同作用,提出測(cè)定腐蝕磨損協(xié)同作用量的手段,并對(duì)磨蝕過(guò)程中的電話學(xué)測(cè)試方法進(jìn)行了總結(jié)。Diomidis等設(shè)計(jì)了新型腐蝕磨損測(cè)試設(shè)備,能夠定量檢測(cè)磨蝕時(shí)鈍化膜的破壞與修復(fù)時(shí)間,明確腐蝕和磨損作用在金屬失效中所起作用,分析了金屬表面鈍化膜的破壞程度以及對(duì)材料損失的影響。Stack等系統(tǒng)研究了Co-Cr/UHMWPE配副的腐蝕磨損行為,評(píng)價(jià)了腐蝕、磨損以及交互作用在材料損失中的作用,通過(guò)控制電極電位、載荷等因素,繪制micro-abrasion-corrosion圖譜?，F(xiàn)有絕大部分研究側(cè)重金屬-陶瓷或金屬-聚合物配副,主要分析鈍化金屬在摩擦力作用下表面膜的破壞與修復(fù),電化學(xué)參數(shù)的變化規(guī)律以及腐蝕磨損交互作用,而對(duì)金屬-金屬配副的腐蝕磨損研究較少,當(dāng)異種金屬配副磨蝕時(shí),兩者表面的鈍化膜都可能被磨損,異種金屬電化學(xué)狀態(tài)的差異導(dǎo)致電偶腐蝕的產(chǎn)生,使得金屬腐蝕磨損研究體系變得復(fù)雜。本文探索性研究了幾種金屬與316不銹鋼配副的腐蝕磨損行為,探討腐蝕介質(zhì)中金屬-金屬摩擦配副的磨蝕行為。1磨損體積的測(cè)定316不銹鋼、HastelloyC-276合金、Inconel625合金、MonelK500合金和TC4鈦合金。本文研究了純水以及不同鹽度海水對(duì)合金腐蝕磨損性能的影響,海水的鹽度分別為0.5%、1%、2%、3%、3.5%和4%,其中鹽度為3.5%海水按照ASTMD1141-98標(biāo)準(zhǔn)配制,其余成分海水按照各自化學(xué)成分按比例配得,pH值均用0.1mol/L的NaOH溶液調(diào)節(jié)至8.2。摩擦試驗(yàn)參數(shù):轉(zhuǎn)速為200r/min,線速度為0.5m/s;載荷100N;試驗(yàn)時(shí)間60min。每次試驗(yàn)前,環(huán)和塊試樣表面用砂紙打磨至其表面粗糙度約為0.15μm,然后將試樣在丙酮中超聲清洗15min。通過(guò)向摩擦表面連續(xù)滴加溶液實(shí)現(xiàn)潤(rùn)滑,滴加速率為300~315滴/min(900~950mL/h)。試驗(yàn)后環(huán)試樣和塊試樣的磨損量通過(guò)稱量法獲取,稱量裝置為T(mén)E214S-OCE型分析天平,精度為0.1mg,計(jì)算試樣的磨損體積公式如下:其中,V為磨損體積(mm3),m0為摩擦磨損試驗(yàn)前的質(zhì)量(mg),m1是摩擦磨損試驗(yàn)后的質(zhì)量(mg),ρ為研究材料的密度。磨損表面的形貌利用JEM-5600LV型電子掃描顯微鏡(SEM)進(jìn)行觀察。2試驗(yàn)結(jié)果2.1耐磨損性能好圖1和圖2分別給出了4種金屬材料HastelloyC-276合金、Inconel625合金、MonelK500合金和TC4鈦合金在純水和幾種鹽度海水中與316不銹鋼對(duì)磨時(shí)的摩擦系數(shù)與磨損率,可以看出:4對(duì)摩擦副在純水潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù)明顯大于其在海水潤(rùn)滑條件下的摩擦系數(shù),并且在海水下的摩擦系數(shù)非常穩(wěn)定。TC4鈦合金的平均摩擦系數(shù)最小,Inconel625合金的平均摩擦系數(shù)最大。相對(duì)于純水,海水對(duì)幾種金屬材料具有更好的潤(rùn)滑作用。HastelloyC-276合金、Inconel625合金、MonelK500合金和TC4鈦合金在純水潤(rùn)滑條件下的磨損量明顯小于其在海水潤(rùn)滑條件下的磨損量,海水的腐蝕作用加速了磨損。幾種材料磨損量的比較:Inconel625合金<HastelloyC-276合金<MonelK500合金<TC4鈦合金,Inconel625合金和HastelloyC-276合金的耐磨損性能明顯優(yōu)于MonelK500合金和TC4鈦合金。當(dāng)與不同金屬配副時(shí),316不銹鋼的磨損量表現(xiàn)出不同的趨勢(shì),與TC4鈦合金對(duì)磨時(shí),其在3.5%海水下的磨損量小于純水下的磨損量,與其他3種金屬配副時(shí),其在3.5%海水下的磨損量明顯大于純水下的磨損量,這種差異由于異種金屬材料之間存在的電偶腐蝕現(xiàn)象。2.2磨損表面特征TC4鈦合金、HastelloyC-276合金、MonelK500合金和Inconel625合金與316不銹鋼在海水下對(duì)磨時(shí)磨痕的SEM形貌見(jiàn)圖3和圖4,可以看出:TC4鈦合金和316不銹鋼對(duì)磨時(shí),磨損表面都具有明顯的粘著特征,并且有明顯的平行于摩擦方向的犁溝痕跡,TC4鈦合金表面的犁溝變形比316不銹鋼嚴(yán)重。HastelloyC-276合金的磨損表面主要是裂紋和碎片脫落,而316不銹鋼的表面具有明顯的犁溝和裂紋,塑性變形嚴(yán)重。MonelK500合金與316不銹鋼對(duì)磨時(shí),磨損表面都具有明顯的塑性變形,并且有明顯的裂紋和碎片痕跡。Inconel625合金主要是犁溝。316不銹鋼表面塑性變形嚴(yán)重,316不銹鋼表面被刮擦和脫落嚴(yán)重,磨損量明顯大于Inconel625合金。3結(jié)果討論3.1極化曲線測(cè)試4種金屬材料在純水潤(rùn)滑條件下的磨損量明顯小于其在海水潤(rùn)滑條件下的磨損量,這說(shuō)明腐蝕磨損之間存在明顯的交互作用,海水的腐蝕性能加速了磨損。腐蝕磨損交互作用的數(shù)學(xué)模型可概括為:式中:W為腐蝕磨損造成的材料總流失量,在本研究條件下為在海水潤(rùn)滑條件下的磨損量;Wcorr為單純腐蝕量,可以通過(guò)腐蝕電流密度icorr得到,計(jì)算公式如下:其中v表示腐蝕速度;M表示原子量;n代表原子化合價(jià);ρ代表金屬的密度;t表示摩擦磨損時(shí)間;S代表平均接觸面積。Wwear為單純磨損量,在本節(jié)中為純水潤(rùn)滑條件下的摩損量,最后可以通過(guò)公式(3)求得腐蝕磨損交互作用量△W。通過(guò)對(duì)材料在不同鹽度海水中的極化曲線測(cè)試,4種材料在海水中都具有優(yōu)異的耐腐蝕性能,腐蝕電流密度在0.25~11.3μA·cm-2之間,單純腐蝕量對(duì)腐蝕磨損量的貢獻(xiàn)極小,材料的耐腐蝕性能非常優(yōu)異。表1為HastelloyC-276合金、Inconel625合金、MonelK500合金和TC4鈦合金在海水潤(rùn)滑條件下的腐蝕磨損各部分所占的比例,單純腐蝕量極其微小在表中未列出。腐蝕磨損交互作用量所占的比例為45%~86%,表明在海水環(huán)境下腐蝕與磨損的交互作用不可忽視。TC4鈦合金和MonelK500合金的磨損量比較大,交互作用量所占的比例相對(duì)較小,而HastelloyC-276合金和Inconel625合金的磨損量比較小,交互作用量所占的比例卻比較大。腐蝕和磨損之間存在相互促進(jìn)的交互作用,摩擦能夠減薄或者破壞鈍化膜或者除去表面的腐蝕產(chǎn)物而暴露出新鮮的金屬表面,同時(shí)海水的攪動(dòng)加速了金屬材料表面的腐蝕產(chǎn)物(金屬離子)迅速離去,補(bǔ)充了新的腐蝕介質(zhì),使去極化劑更容易到達(dá)金屬表面,從而加速了腐蝕速度。腐蝕磨損過(guò)程中,材料的流失可以認(rèn)為是一個(gè)低周疲勞過(guò)程,在材料的薄弱處如晶界或者析出相粒子處引發(fā)裂紋。海水的腐蝕加速疲勞裂紋的萌生和擴(kuò)展,促進(jìn)磨屑脫落,從而加劇了材料的流失。3.2異種金屬及其合金的腐蝕當(dāng)與不同金屬材料對(duì)磨時(shí),316不銹鋼的磨損量表現(xiàn)出不同的趨勢(shì),與TC4鈦合金對(duì)磨時(shí),其在海水下的磨損量小于純水下的磨損量,而與HastelloyC-276合金、Inconel625合金和MonelK500合金對(duì)磨時(shí),其在海水下的磨損量明顯大于純水下的磨損量。這可能是由磨蝕時(shí)異種金屬存在的電偶腐蝕所引起的,當(dāng)異種金屬或合金接觸時(shí),電位較低的金屬腐蝕速度加大,而電位較高的金屬受到保護(hù),這種現(xiàn)象就是電偶腐蝕。在腐蝕磨損過(guò)程中,摩擦使得鈍化膜保護(hù)作用失效,基體金屬與海水直接接觸。表2為5種金屬材料基本元素的標(biāo)準(zhǔn)電極電位,Ti和Fe之間的電位差為1.186V,而Ni和Fe之間的電位差為0.192V,所以316不銹鋼與TC4鈦合金配副時(shí),會(huì)發(fā)生顯著的電偶腐蝕。316不銹鋼與TC4鈦合金配副時(shí),以下幾個(gè)因素促進(jìn)了電偶腐蝕:Ti和Fe之間的電位差為1.186V,巨大的電位差抑制了316不銹鋼的(陰極)腐蝕,而加速了TC4鈦合金(陽(yáng)極)的腐蝕;海水導(dǎo)電性能優(yōu)異;本試驗(yàn)體系中316不銹鋼的腐蝕面積遠(yuǎn)大于TC4鈦合金的腐蝕面積,小陽(yáng)極(TC4鈦合金)同大陰極(316不銹鋼)相連,加速了電偶腐蝕。所以當(dāng)與不同金屬材料配副時(shí),316不銹鋼在海水中的磨損量表現(xiàn)出不同的趨勢(shì)。4與tc4鈦合金的配副對(duì)磨蝕過(guò)程的影響1)海水對(duì)4種金屬材料的潤(rùn)滑作用明顯強(qiáng)于純水,海水的腐蝕作用加速了金屬的磨損。Inconel625合金和HastelloyC-276合金的耐腐蝕磨損性能明顯優(yōu)于MonelK500合金和TC4鈦合金;2)316不銹鋼與Inconel625合金、Ha