基于酸性废齿轮油的汽车用原位VCp/Fe复合材料耐腐蚀性研究

广西柳州职业技术学院 李光辉

1 前言

众所周知，作为汽车运行材料之一的齿轮油酸值要求小于等于0.35mgKOH/g[1]，变质后大部分呈现酸性，其酸性值都会增加2mgKOH/g，这种酸性对汽车金属材料有一定腐蚀性，研究一种耐酸性腐蚀的复合材料有重要的意义。本文将对汽车用原位自生VCp/Fe铁基复合材料在95℃变质齿轮油酸环境下的耐腐蚀性进行研究（主要是因为发动机正常工作温度为80-95℃），而其他研究主要集中在制备的工艺、耐磨性等方面，研究汽车用原位自生VCp/Fe复合材料耐变质齿轮油酸腐蚀性的研究并不多见。

2 试验材料与方法

2.1 试验材料制备及规格

本文用的汽车原位VCp/Fe复合材料其化学成分主要包括 C、Si、S、P、Fe等，具体含量如表 1 所示。主要是通过选择铁基复合材料作为基体[2]，加入钒铁矿后用于获得VCp/Fe复合材料的试样，C元素的获得也是来源铁基体，其主要成分如表2所示。

表1 汽车用原位VCp/Fe复合材料原材料的化学成分及主要作用

表2 汽车用VCp/Fe复合材料的主要化学成分（w t%）

制备汽车用原位VCp/Fe复合材料主要是通过把准备好的1000g生铁放入中频感应炉中，待通电熔化后，加入准备好的碳钢。当温度升至1873.15K（采用MCT-110精密数字测温仪测定熔体温度），加入20-30mm经处理过的合金碎片，并加入按4:1的质量分数比例混合而成的草木灰和木炭的覆盖剂[3]覆盖熔体，等待10-15min后，清除炉渣杂质后出炉，而后倒入有纯铝丝的材料包后进行脱氧，迅速制成试样。

采用的试验材料的大小如图1所示。将经过截取、清砂、抛光、磨光等处理的试样，用日立S-3400N电镜进行扫描观察金相，成像如图2所示。由成像可见，试样汽车用原位VCp/Fe复合材料的组织由珠光体基体和VC增强颗粒组成。同时选用铸态的45钢作为对比的材料，其规格和汽车用原位VCp/Fe复合材料一样，如图1所示。

图1 试样毛坯工艺尺寸

图2 4%硝酸酒精腐蚀后VCp/Fe复合材料的扫描电镜图片

2.2 试验用酸性废齿轮油

取用变质后的齿轮油，其酸性值为2.35mgKOH/g[1]，作为试验的介质。

2.3 试验采用的方法

在25℃下，利用万分之一克感量的光电分析天平、螺旋测微器测量干燥好的样品的质量、高度及直径。而后按先后次序将样品分别浸泡在95℃酸性值为2.35mgKOH/g的变质齿轮油恒温箱中浸泡200h后，将样品捞出进行清洗、干燥，分别测量其质量，利用失重法进行计算静态腐蚀速率，并用日立S-3400N电镜进行扫描观察其腐蚀形貌。

3 结果与分析

3.1 试验结果

在95℃下，静态浸泡在酸性值为2.35mgKOH/g的变质齿轮油中200h后，两种材料的失重计算结果如图3所示。

图3 在95℃酸性值为

2.35mgKOH/g的变质齿轮油中的腐蚀速率

图3显示出，在较高温度95℃下浸泡在酸性值为2.35mgKOH/g的变质齿轮油中，汽车用原位VCp/Fe复合材料的耐酸腐蚀性能是45钢的10倍左右，其耐酸腐蚀性能好于45钢。

在较高温度95℃下静态浸泡在酸性值为2.35mgKOH/g的变质齿轮油中200h后，两种材料的SEM照片如图4所示。

图4 在较高温度95℃酸性值为2.35mgKOH/g的变质齿轮油中腐蚀表面的SEM形貌

图4显示，在较高温度95℃下，VCp/Fe复合材料在酸性值为2.35mgKOH/g的变质齿轮油中的腐蚀坑比较少而且小，并且主要集中在增强颗粒周围，相比之下，45钢的腐蚀坑不但面积大，连接成片，而且数量也比较多。充分说明：相同条件下，VCp/Fe复合材料抗酸腐蚀性能明显高于45钢，其高温耐酸腐蚀性能较好。

3.2 试验分析

在发动机正常工作温度95℃下，放入酸性值为2.35mgKOH/g的变质齿轮油的两种材料其实是发生了电化学腐蚀反应。从图4显示出，45钢耐酸腐蚀能力相当差，出现网状交错连接一起的腐蚀坑，表面材料有剥落，有些面积还比较大。这主要是因为45钢组织成分中有铁素体、渗碳体等存在，在电化学反应中，其微观组织形成电位差较大进而形成表面不均匀的腐蚀坑，从表象看就是表面大块的剥落，甚至有连片下沉的情况。由此可以看出，在本试验相同条件下，45钢抗酸腐蚀性能较差。

而车用VCp/Fe复合材料相比45钢具有优越的耐酸腐蚀性能。在本试验中，钒铁在高温溶解过程中V元素与C元素原位生成VC，降低了铁基体中的C成分的含量，进而降低了VCp/Fe复合材料在电反应中的电位差，不易形成微电池，耐酸腐蚀性能明显提高，并且采用原位自生法所制备的车用VCp/Fe复合材料中珠光体非常细密，使得酸溶液不易渗入，进而减少与酸环境接触的阳极面积，从而提高了车用VCp/Fe复合材料的耐酸腐蚀性能。

据文献的研究结论：改善颗粒形貌，尽量使用圆整度较高的颗粒，从而改善应力分布状态，可以使复合材料的耐腐蚀性得到改善。通过本试验所制备的车用VCp/Fe复合材料，VC颗粒主要是以血管状的毛细血管为主，见图2。从形态上看，VC颗粒形状外形圆整，更容易与铁基体结合，改善了应力的分布状况，因此车用VCp/Fe复合材料的耐酸腐蚀性能较好。此外，车用VCp/Fe复合材料致钝电位较低，与碳钢相比，在酸性环境中腐蚀速度极易变的钝化，其边界形成稳定的钝化膜，这样就防止酸性介质对复合材料的逐步腐蚀，让车用VCp/Fe复合材料的耐酸腐蚀性能得到很大提高。

研究的不足：采用原位自生法制备的车用VCp/Fe复合材料，VC颗粒与铁基体结合面平滑无杂质，但是由于材料本身存在膨胀系数、强度、弹性模量的差异，在VC颗粒与铁基体之间取向不同。因此，车用VCp/Fe复合材料的颗粒界面可能产生应变力和残余热应力，在酸性介质下，VC颗粒与铁基体之间的界面最先被腐蚀，酸性介质的侵入，VC颗粒周围腐蚀后，VC颗粒脱掉，形成明显的腐蚀沟壑。这也说明了，在耐酸腐蚀性能方面，复合材料的VC颗粒与铁基体结合界面起关键性作用，应重点研究。

4 结论

在本文的试验环境中，钒铁矿中的V元素的引入，其产生的VC颗粒使得VCp/Fe复合材料比45钢具有更优越的耐酸腐蚀性能。但也有局限性，VCp/Fe复合材料易形成局部网状腐蚀面，大多发生在VC颗粒与铁基体结合面，说明复合材料最易被酸腐蚀的地方在颗粒与基体的结合面，这在将来的研究中应该进一步改进，提高其耐酸性变质齿轮油的腐蚀性。

[1]GB/T264《石油产品酸值测定法》、GB/T258《汽油、煤油、柴油酸度测定法》.

[2]钟元龙.原位自生TiCp/Fe复合材料的制备工艺及其性能研究[D].广西大学硕士学位论文,2004.

[3]隆丹宁.原位自生TiCp/Fe、VCp/Fe复合材料制备过程覆盖剂及低温加Ti法、低温加V法的研究[D].广西大学硕士学位,2007.