兩種金屬材料腐蝕磨損的交互作用

韓東霏

（中國白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001）

兩種金屬材料腐蝕磨損的交互作用

韓東霏

（中國白城兵器試驗(yàn)中心，吉林 白城 137001）

兩種金屬材料之間存在著交互作用，在環(huán)境因素一定時(shí)，主要受電化學(xué)和力學(xué)的綜合作用。本次研究以45#鋼和2Cr13不銹鋼的交互作用為例，研究兩種材料之間的交互作用，并通過構(gòu)建交互作用圖來探究力學(xué)因素和電化學(xué)因素對(duì)金屬腐蝕磨損的影響。

金屬；材料；腐蝕；磨損；交互

本文利用45#鋼和2Cr13不銹鋼兩種金屬材料，在將兩種材料放置在含硫酸、硝酸、鹽酸的石英沙的腐蝕磨損下，分別試驗(yàn)了45#鋼和2Cr13各自的腐蝕率、磨損率和它們相互作用、相互影響后的腐蝕磨損率，根據(jù)測(cè)得的“腐蝕磨損交互值”，然后由他們之間的交互值繪出了45#鋼和2Cr13不銹鋼的腐蝕磨損交互作用關(guān)系圖，在關(guān)系圖中可以明確交互作用的數(shù)值關(guān)系，并從中發(fā)現(xiàn)金屬材料究竟受什么因素影響最大，為解決金屬材料受腐蝕磨損影響提高科學(xué)的解決思路。

1 概念和定義

（1）腐蝕磨損系統(tǒng)。在實(shí)際條件下的腐蝕磨損體系中，金屬材料所受腐蝕影響的最大因素是電化學(xué)因素，而金屬材料在實(shí)際條件下受磨損影響的最重要因素是力學(xué)因素，例如材料的表面剪切。在科學(xué)的金屬腐蝕磨損體系中，考慮所有因素，金屬材料受腐蝕磨損影響的因素有：材料因素影響，例如金屬的成分、組織結(jié)構(gòu)等一系列材料本身的影響；電化學(xué)因素影響，例如受何種腐蝕介質(zhì)的影響、以及其濃度等；力學(xué)因素影響，例如受速度的影響；還有受環(huán)境因素的影響，例如濕度、溫度、壓力等等。而在環(huán)境因素固定不變的情況下時(shí)，比如溫度、濕度、壓力恒定不變，腐蝕磨損體系的決定因素就是力學(xué)因素、材料因素和電化學(xué)因素。

（2）腐蝕磨損的交互作用表示。在金屬材料的腐蝕磨損體系中，若金屬材料只受到電化學(xué)因素的影響，則金屬材料受到腐蝕的作用；若金屬材料只受到力學(xué)因素的作用，則金屬材料受到磨損的影響；當(dāng)金屬材料受到力學(xué)因素還有電化學(xué)因素兩者共同的作用時(shí)，則金屬材料受到腐蝕磨損的影響；在本文中，我們將金屬材料的腐蝕率記作Kc；磨損率記作Kw；Kcw表示金屬材料所受到的腐蝕磨損率。而由于金屬之間受到相互作用的影響，金屬腐蝕磨損率不能用腐蝕率加磨損率，用字母表示即Kcw≠Kc+Kw。

實(shí)際上，

其中ΔKcw是金屬材料在腐蝕磨損下的交互作用值，也被稱作是腐蝕磨損的交互作用發(fā)量，用來表示金屬材料在手電化學(xué)和力學(xué)因素共同影響下的材料損失變化量，根據(jù)（1）式可知 ΔKcw=Kcw-Kc-Kw，若腐蝕磨損率用材料在單位面積內(nèi)受到的腐蝕磨損表示，則有公式

類似（1）公式中，Vcw表示材料受到的腐蝕磨損率，Vc表示材料的腐蝕率，Vw表示材料經(jīng)受的磨損率。

2 實(shí)驗(yàn)部分

（1）實(shí)驗(yàn)材料。在本次實(shí)驗(yàn)中，我們采用的實(shí)驗(yàn)材料是2Cr13不銹鋼和45#鋼。其中2Cr13不銹鋼的的主要化學(xué)成分有C、Cr、Si、Mn、Ni和Fe，其中Cr占比12.55%，C占0.18%，0.35%是Si，0.47%是Mn，另外還有0.24%Ni，其余是Fe，2Cr13不銹鋼的顯微硬度是HV237；45#鋼的主要化學(xué)成分是C、Si、Mn和Fe，其中少量的C、Si、Mn分別占比0.47%，0.31%和0.62%，顯微硬度是HV234。

（2）實(shí)驗(yàn)方法。在本次實(shí)驗(yàn)中采用的實(shí)驗(yàn)機(jī)器是MSH型號(hào)的國產(chǎn)腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)器，在實(shí)驗(yàn)機(jī)器的試樣架上分別對(duì)稱裝有4根完全相同試樣用來實(shí)驗(yàn)比較，4根試樣的直徑為8mm，長度為53mm。由于考慮到腐蝕介質(zhì)對(duì)材料的影響，在實(shí)驗(yàn)中選取的腐蝕介質(zhì)有0. 05mol/L H2SO4水溶液，0.10mol/L HNO3水溶液以及0. 10 mol /L HCl溶液，與此同時(shí)，為了判斷酸的濃度對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響，我們?cè)O(shè)置了三個(gè)對(duì)照組，分別是0.0005mol/L H2SO4,溶液0.050mol/L H2SO4溶液和0.500mol/L H2SO4溶液。實(shí)驗(yàn)中對(duì)每組介質(zhì)中配置腐蝕磨損漿體時(shí)，都加入粒度為0.35～ 0.75mm之間、20%是體積分?jǐn)?shù)的石英砂，并對(duì)漿體設(shè)置組速度來沖擊試樣，分別為 2.3m/s，3.1m/s，4.6m/s，6.2m/s。每組的實(shí)驗(yàn)時(shí)間均設(shè)置為2.5h。另外，測(cè)量材料的腐蝕率時(shí)可用上述的腐蝕介質(zhì)來實(shí)驗(yàn)，將上述的介質(zhì)分別靜置24小時(shí)來測(cè)試腐蝕率；測(cè)材料的磨損率時(shí)為排除酸堿溶液的影響，采用中性介質(zhì)來測(cè)試，并在中性介質(zhì)中加入相同的粒度為0.35～0.75mm之間、20%是體積分?jǐn)?shù)的石英砂制成漿體，并且設(shè)置相同的速度沖蝕。實(shí)驗(yàn)中的稱量儀器要求要用精密程度達(dá)到0.00001g的天平進(jìn)行稱量，并在在每次開始實(shí)驗(yàn)之前和結(jié)束實(shí)驗(yàn)之后，對(duì)每組試樣都用丙酮進(jìn)行一次超聲波清洗并用烘干機(jī)烘干，稱量之后求出單位面積內(nèi)的磨損體積，然后再由上述的（2）式求解表示出腐蝕磨損交互作用值。

表1 試驗(yàn)材料的腐蝕磨損率

3 結(jié)果分析

45#鋼和2Cr13不銹鋼兩種材料在不同漿體和不同沖擊速度下的腐蝕磨損率如表1所示。當(dāng)漿體的速度固定不變時(shí)，實(shí)驗(yàn)金屬材料的腐蝕磨損交互作用伴隨硫酸溶液濃度變化的關(guān)系圖。當(dāng)漿體重硫酸溶液的濃度越高時(shí)，交互作用則越強(qiáng)。當(dāng)腐蝕介質(zhì)的濃度一定時(shí)，金屬所受的腐蝕磨損作用由漿體沖擊速度的決定情況。如圖所示，漿體的沖擊速度越大，金屬所受的交互作用越強(qiáng)。

4 腐蝕 磨損交互作用圖

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，材料的腐蝕磨損交互作用值隨著變量的改變而改變的，而為了探究變量與作用值之間的關(guān)系究竟是怎樣的，深入研究金屬所受腐蝕磨損影響，應(yīng)當(dāng)建立一種交互作用圖來反應(yīng)電化學(xué)因素、力學(xué)因素與交互作用值之間的關(guān)系。

兩中實(shí)驗(yàn)材料在給定的條件下的交互作用圖如圖1所示，根據(jù)圖中可知，圖中的實(shí)線代表“等濃度線”，虛線表示“等速度線”，而當(dāng)力學(xué)因素在兩個(gè)變量中的影響減少時(shí)，等濃度線也隨之減少。而金屬表面在磨粒子的沖擊下會(huì)發(fā)生形變和表層膜發(fā)生破裂等，這些現(xiàn)象都導(dǎo)致金屬的耐腐蝕性的下降。分析圖1可知，等濃度線隨漿體中酸溶液濃度下降而下降，并且發(fā)現(xiàn)下降速度越來越快，表明當(dāng)介質(zhì)濃度較低時(shí)，對(duì)作用值起主導(dǎo)影響的因素是力學(xué)。當(dāng)Vc/Vw值變大時(shí)，等速度線先急速增加后趨于緩慢，金屬表面首先形成腐蝕膜，當(dāng)介質(zhì)的濃度剛開始提高時(shí)，金屬的表面膜受到的影響最為嚴(yán)重，因此圖1中的等速度線會(huì)急速增加。當(dāng)金屬發(fā)生腐蝕時(shí)，金屬表面首先發(fā)生原子深度大小的溶解，然后擴(kuò)大結(jié)晶，并且在金屬上發(fā)生腐蝕。當(dāng)金屬受到?jīng)_擊時(shí)，能夠加劇金屬表面的溶解與磨損。圖中可以發(fā)現(xiàn)。等速度線隨沖擊速度增大而變大，這一現(xiàn)象的主要原因是加速導(dǎo)致在金屬上造成較大的應(yīng)力，進(jìn)而使金屬表面的變形區(qū)變多，使得金屬面容易被粒子切削。

圖1 45#鋼和不銹鋼的腐蝕磨損交互作用圖

5 結(jié)語

金屬發(fā)生腐蝕磨損受環(huán)境、材料、力學(xué)和電化學(xué)的綜合影響，在環(huán)境因素固定不變時(shí)，主要受力學(xué)因素和電化學(xué)因素的交互作用。在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)材料受力學(xué)因素影響恒定不變時(shí)，兩種材料的交互作用隨電化學(xué)影響的增大而變大；相類似，當(dāng)電化學(xué)因素固定不變時(shí)，45#鋼和2Cr13不銹鋼受力學(xué)影響的增大而變大。構(gòu)建交互作用關(guān)系圖可以得知材料收兩種因素的影響關(guān)系，用來分析研究磨損體系中電化學(xué)和力學(xué)對(duì)材料的影響。

TG171

A

1671-0711（2017）12（上）-0053-02