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

（中國白城兵器試驗中心，吉林 白城 137001）

兩種金屬材料之間存在著交互作用，在環境因素一定時，主要受電化學和力學的綜合作用。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，并通過構建交互作用圖來探究力學因素和電化學因素對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，根據測得的“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系圖，在關系圖中可以明確交互作用的數值關系，并從中發現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的解決思路。

1 概念和定義

（1）腐蝕磨損系統。在實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因素，而金屬材料在實際條件下受磨損影響的最重要因素是力學因素，例如材料的表面剪切。在科學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、組織結構等一系列材料本身的影響；電化學因素影響，例如受何種腐蝕介質的影響、以及其濃度等；力學因素影響，例如受速度的影響；還有受環境因素的影響，例如濕度、溫度、壓力等等。而在環境因素固定不變的情況下時，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因素、材料因素和電化學因素。

（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因素的作用，則金屬材料受到磨損的影響；當金屬材料受到力學因素還有電化學因素兩者共同的作用時，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量，用來表示金屬材料在手電化學和力學因素共同影響下的材料損失變化量，根據（1）式可知 ΔKcw=Kcw-Kc-Kw，若腐蝕磨損率用材料在單位面積內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表示材料經受的磨損率。

2 實驗部分

（1）實驗材料。在本次實驗中，我們采用的實驗材料是2Cr13不銹鋼和45#鋼。其中2Cr13不銹鋼的的主要化學成分有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）實驗方法。在本次實驗中采用的實驗機器是MSH型號的國產腐蝕磨損實驗機器，在實驗機器的試樣架上分別對稱裝有4根完全相同試樣用來實驗比較，4根試樣的直徑為8mm，長度為53mm。由于考慮到腐蝕介質對材料的影響，在實驗中選取的腐蝕介質有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，為了判斷酸的濃度對實驗結果的影響，我們設置了三個對照組，分別是0.0005mol/L H2SO4,溶液0.050mol/L H2SO4溶液和0.500mol/L H2SO4溶液。實驗中對每組介質中配置腐蝕磨損漿體時，都加入粒度為0.35～ 0.75mm之間、20%是體積分數的石英砂，并對漿體設置組速度來沖擊試樣，分別為 2.3m/s，3.1m/s，4.6m/s，6.2m/s。每組的實驗時間均設置為2.5h。另外，測量材料的腐蝕率時可用上述的腐蝕介質來實驗，將上述的介質分別靜置24小時來測試腐蝕率；測材料的磨損率時為排除酸堿溶液的影響，采用中性介質來測試，并在中性介質中加入相同的粒度為0.35～0.75mm之間、20%是體積分數的石英砂制成漿體，并且設置相同的速度沖蝕。實驗中的稱量儀器要求要用精密程度達到0.00001g的天平進行稱量，并在在每次開始實驗之前和結束實驗之后，對每組試樣都用丙酮進行一次超聲波清洗并用烘干機烘干，稱量之后求出單位面積內的磨損體積，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 試驗材料的腐蝕磨損率

3 結果分析

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。當漿體的速度固定不變時，實驗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系圖。當漿體重硫酸溶液的濃度越高時，交互作用則越強。當腐蝕介質的濃度一定時，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。

4 腐蝕 磨損交互作用圖

實驗中發現，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系究竟是怎樣的，深入研究金屬所受腐蝕磨損影響，應當建立一種交互作用圖來反應電化學因素、力學因素與交互作用值之間的關系。

兩中實驗材料在給定的條件下的交互作用圖如圖1所示，根據圖中可知，圖中的實線代表“等濃度線”，虛線表示“等速度線”，而當力學因素在兩個變量中的影響減少時，等濃度線也隨之減少。而金屬表面在磨粒子的沖擊下會發生形變和表層膜發生破裂等，這些現象都導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，并且發現下降速度越來越快，表明當介質濃度較低時，對作用值起主導影響的因素是力學。當Vc/Vw值變大時，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，當介質的濃度剛開始提高時，金屬的表面膜受到的影響最為嚴重，因此圖1中的等速度線會急速增加。當金屬發生腐蝕時，金屬表面首先發生原子深度大小的溶解，然后擴大結晶，并且在金屬上發生腐蝕。當金屬受到沖擊時，能夠加劇金屬表面的溶解與磨損。圖中可以發現。等速度線隨沖擊速度增大而變大，這一現象的主要原因是加速導致在金屬上造成較大的應力，進而使金屬表面的變形區變多，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 結語

金屬發生腐蝕磨損受環境、材料、力學和電化學的綜合影響，在環境因素固定不變時，主要受力學因素和電化學因素的交互作用。在實驗中發現，當材料受力學因素影響恒定不變時，兩種材料的交互作用隨電化學影響的增大而變大；相類似，當電化學因素固定不變時，45#鋼和2Cr13不銹鋼受力學影響的增大而變大。構建交互作用關系圖可以得知材料收兩種因素的影響關系，用來分析研究磨損體系中電化學和力學對材料的影響。

TG171

A

1671-0711（2017）12（上）-0053-02