基于酸性廢齒輪油的汽車用原位VCp/Fe復合材料耐腐蝕性研究

廣西柳州職業技術學院 李光輝

1 前言

眾所周知，作為汽車運行材料之一的齒輪油酸值要求小于等于0.35mgKOH/g[1]，變質后大部分呈現酸性，其酸性值都會增加2mgKOH/g，這種酸性對汽車金屬材料有一定腐蝕性，研究一種耐酸性腐蝕的復合材料有重要的意義。本文將對汽車用原位自生VCp/Fe鐵基復合材料在95℃變質齒輪油酸環境下的耐腐蝕性進行研究（主要是因為發動機正常工作溫度為80-95℃），而其他研究主要集中在制備的工藝、耐磨性等方面，研究汽車用原位自生VCp/Fe復合材料耐變質齒輪油酸腐蝕性的研究并不多見。

2 試驗材料與方法

2.1 試驗材料制備及規格

本文用的汽車原位VCp/Fe復合材料其化學成分主要包括 C、Si、S、P、Fe等，具體含量如表 1 所示。主要是通過選擇鐵基復合材料作為基體[2]，加入釩鐵礦后用于獲得VCp/Fe復合材料的試樣，C元素的獲得也是來源鐵基體，其主要成分如表2所示。

表1 汽車用原位VCp/Fe復合材料原材料的化學成分及主要作用

表2 汽車用VCp/Fe復合材料的主要化學成分（w t%）

制備汽車用原位VCp/Fe復合材料主要是通過把準備好的1000g生鐵放入中頻感應爐中，待通電熔化后，加入準備好的碳鋼。當溫度升至1873.15K（采用MCT-110精密數字測溫儀測定熔體溫度），加入20-30mm經處理過的合金碎片，并加入按4:1的質量分數比例混合而成的草木灰和木炭的覆蓋劑[3]覆蓋熔體，等待10-15min后，清除爐渣雜質后出爐，而后倒入有純鋁絲的材料包后進行脫氧，迅速制成試樣。

采用的試驗材料的大小如圖1所示。將經過截取、清砂、拋光、磨光等處理的試樣，用日立S-3400N電鏡進行掃描觀察金相，成像如圖2所示。由成像可見，試樣汽車用原位VCp/Fe復合材料的組織由珠光體基體和VC增強顆粒組成。同時選用鑄態的45鋼作為對比的材料，其規格和汽車用原位VCp/Fe復合材料一樣，如圖1所示。

圖1 試樣毛坯工藝尺寸

圖2 4%硝酸酒精腐蝕后VCp/Fe復合材料的掃描電鏡圖片

2.2 試驗用酸性廢齒輪油

取用變質后的齒輪油，其酸性值為2.35mgKOH/g[1]，作為試驗的介質。

2.3 試驗采用的方法

在25℃下，利用萬分之一克感量的光電分析天平、螺旋測微器測量干燥好的樣品的質量、高度及直徑。而后按先后次序將樣品分別浸泡在95℃酸性值為2.35mgKOH/g的變質齒輪油恒溫箱中浸泡200h后，將樣品撈出進行清洗、干燥，分別測量其質量，利用失重法進行計算靜態腐蝕速率，并用日立S-3400N電鏡進行掃描觀察其腐蝕形貌。

3 結果與分析

3.1 試驗結果

在95℃下，靜態浸泡在酸性值為2.35mgKOH/g的變質齒輪油中200h后，兩種材料的失重計算結果如圖3所示。

圖3 在95℃酸性值為

2.35mgKOH/g的變質齒輪油中的腐蝕速率

圖3顯示出，在較高溫度95℃下浸泡在酸性值為2.35mgKOH/g的變質齒輪油中，汽車用原位VCp/Fe復合材料的耐酸腐蝕性能是45鋼的10倍左右，其耐酸腐蝕性能好于45鋼。

在較高溫度95℃下靜態浸泡在酸性值為2.35mgKOH/g的變質齒輪油中200h后，兩種材料的SEM照片如圖4所示。

圖4 在較高溫度95℃酸性值為2.35mgKOH/g的變質齒輪油中腐蝕表面的SEM形貌

圖4顯示，在較高溫度95℃下，VCp/Fe復合材料在酸性值為2.35mgKOH/g的變質齒輪油中的腐蝕坑比較少而且小，并且主要集中在增強顆粒周圍，相比之下，45鋼的腐蝕坑不但面積大，連接成片，而且數量也比較多。充分說明：相同條件下，VCp/Fe復合材料抗酸腐蝕性能明顯高于45鋼，其高溫耐酸腐蝕性能較好。

3.2 試驗分析

在發動機正常工作溫度95℃下，放入酸性值為2.35mgKOH/g的變質齒輪油的兩種材料其實是發生了電化學腐蝕反應。從圖4顯示出，45鋼耐酸腐蝕能力相當差，出現網狀交錯連接一起的腐蝕坑，表面材料有剝落，有些面積還比較大。這主要是因為45鋼組織成分中有鐵素體、滲碳體等存在，在電化學反應中，其微觀組織形成電位差較大進而形成表面不均勻的腐蝕坑，從表象看就是表面大塊的剝落，甚至有連片下沉的情況。由此可以看出，在本試驗相同條件下，45鋼抗酸腐蝕性能較差。

而車用VCp/Fe復合材料相比45鋼具有優越的耐酸腐蝕性能。在本試驗中，釩鐵在高溫溶解過程中V元素與C元素原位生成VC，降低了鐵基體中的C成分的含量，進而降低了VCp/Fe復合材料在電反應中的電位差，不易形成微電池，耐酸腐蝕性能明顯提高，并且采用原位自生法所制備的車用VCp/Fe復合材料中珠光體非常細密，使得酸溶液不易滲入，進而減少與酸環境接觸的陽極面積，從而提高了車用VCp/Fe復合材料的耐酸腐蝕性能。

據文獻的研究結論：改善顆粒形貌，盡量使用圓整度較高的顆粒，從而改善應力分布狀態，可以使復合材料的耐腐蝕性得到改善。通過本試驗所制備的車用VCp/Fe復合材料，VC顆粒主要是以血管狀的毛細血管為主，見圖2。從形態上看，VC顆粒形狀外形圓整，更容易與鐵基體結合，改善了應力的分布狀況，因此車用VCp/Fe復合材料的耐酸腐蝕性能較好。此外，車用VCp/Fe復合材料致鈍電位較低，與碳鋼相比，在酸性環境中腐蝕速度極易變的鈍化，其邊界形成穩定的鈍化膜，這樣就防止酸性介質對復合材料的逐步腐蝕，讓車用VCp/Fe復合材料的耐酸腐蝕性能得到很大提高。

研究的不足：采用原位自生法制備的車用VCp/Fe復合材料，VC顆粒與鐵基體結合面平滑無雜質，但是由于材料本身存在膨脹系數、強度、彈性模量的差異，在VC顆粒與鐵基體之間取向不同。因此，車用VCp/Fe復合材料的顆粒界面可能產生應變力和殘余熱應力，在酸性介質下，VC顆粒與鐵基體之間的界面最先被腐蝕，酸性介質的侵入，VC顆粒周圍腐蝕后，VC顆粒脫掉，形成明顯的腐蝕溝壑。這也說明了，在耐酸腐蝕性能方面，復合材料的VC顆粒與鐵基體結合界面起關鍵性作用，應重點研究。

4 結論

在本文的試驗環境中，釩鐵礦中的V元素的引入，其產生的VC顆粒使得VCp/Fe復合材料比45鋼具有更優越的耐酸腐蝕性能。但也有局限性，VCp/Fe復合材料易形成局部網狀腐蝕面，大多發生在VC顆粒與鐵基體結合面，說明復合材料最易被酸腐蝕的地方在顆粒與基體的結合面，這在將來的研究中應該進一步改進，提高其耐酸性變質齒輪油的腐蝕性。

[1]GB/T264《石油產品酸值測定法》、GB/T258《汽油、煤油、柴油酸度測定法》.

[2]鐘元龍.原位自生TiCp/Fe復合材料的制備工藝及其性能研究[D].廣西大學碩士學位論文,2004.

[3]隆丹寧.原位自生TiCp/Fe、VCp/Fe復合材料制備過程覆蓋劑及低溫加Ti法、低溫加V法的研究[D].廣西大學碩士學位,2007.