钢管陶瓷内衬Ti3AlC2的耐磨性研究*

程逞，赵勇，田小江，汪强，李小龙，岳明娟

钢管陶瓷内衬Ti3AlC2的耐磨性研究*

程逞1，赵勇1，田小江1，汪强1，李小龙1，岳明娟2

（1.宝鸡石油钢管有限责任公司，陕西宝鸡721008；2.西安理工大学，陕西西安710048）

研究了钢管陶瓷内衬Ti3AlC2的耐磨性能。试验结果表明：在摩擦过程中，摩擦产生的摩擦热使Ti3AlC2摩擦表面分解、氧化生成由Ti、Al、Fe和O组成的非晶态氧化物，这层氧化物起到了一定的润滑作用，在高的法向载荷或速度下，随着氧化物生成量的增加，Ti3AlC2材料的摩擦因数减小，主要是Ti3AlC2氧化层磨损，这种磨损方式保护了Ti3AlC2基体材料，因此以Ti3AlC2作为钢管陶瓷内衬材料将能够很好地保护钢管基体，延长钢管的使用寿命。

钢管；陶瓷内衬；Ti3AlC2；耐磨性；摩擦因数；磨损率；氧化层

近年来，石油、化工以及矿山等行业对耐磨、耐蚀、耐高温管道的需求量越来越大。虽然现在研究的高温合金管以及高技术的陶瓷管能够分别满足耐高温和耐腐蚀的需求［1］，但是同时满足上述需求的管道材料亟需解决。文献［2-3］的研究结果表明：陶瓷内衬复合管能够满足上述性能的要求，并在矿山和管道运输上得到了应用。文献［4］研究了自蔓延高温合成陶瓷内衬复合钢管的耐腐耐蚀、抗机械冲击等性能。Ti3AlC2为Mn+1AXn三元层状化合物中的一种，兼有金属和陶瓷的优良特性，如高熔点、高弹性模量、良好的导电导热性能、可加工性、良好的耐腐蚀性能和自润滑性，这些优异的性能使Ti3AlC2材料有很广泛的应用领域。文献［5］研究了在45钢和铝表面涂覆Ti3AlC2的合成机理，文献［6］研究了Ti3AlC2作为热障涂层的性能。本文主要研究Ti3AlC2作为钢管内衬材料时的耐磨性能。

1 试验方法

在HT-1000型高温摩擦磨损试验机上进行试验；采用的原料为自蔓延高温合成法制备的Ti3AlC2材料［7-8］，其中Ti3AlC2的含量为97.63%，块体的气孔率为7.41%。试验采用45钢为对磨材料，其直径为30 mm、厚度为10 mm；Ti3AlC2块体材料为正立方块体，其长、宽、高皆为5 mm。

试验的具体方法为：①在300 r/min的条件下，设定法向载荷分别为5、10、15、20 N；②在15 N的法向载荷条件下，设定速度分别为200、300、400、500、600 r/min，试验前将块体材料预磨10 min，试验结束后对磨体要自然散热一定时间才可以进入下一组试验，每组试验重复3次，试验结果取平均值。最后利用日本电子公司的JSM-6700型扫描电镜对摩擦后块体材料摩擦表面的物质形貌以及化学成分进行分析，利用XRD-7000型X射线衍射仪分析摩擦表面的相组成。

试验的整个过程由计算机控制，并记录试验时摩擦因数的瞬时变化，取其平均值得到摩擦因数。

通过公式（1）［9］计算Ti3AlC2材料磨损率：

式中I——体积磨损率，mm3/（N·m）；

W——体积磨损量，mm3；

P——法向载荷，N；

L——总摩擦距离，mm。

2 结果与讨论

（1）Ti3AlC2对45钢的摩擦因数和磨损率与法向载荷的关系。

表1为不同法向载荷下Ti3AlC2对45钢的摩擦因数和磨损率。由表1可以看出：摩擦载荷在增加的同时，摩擦因数减小，而磨损率增加，当法向载荷增加到20 N，摩擦因数减小至0.18，磨损率为7.1×10-8mm3/（N·m）。文献［10］的试验结果表明：在摩擦载荷较小时，由于摩擦表面微凸起的存在，使在摩擦过程中实际接触的摩擦面比理论上接触的摩擦面要小的多，进而产生大的摩擦阻力；而随着摩擦载荷的增加，摩擦表面的微凸起相互耦合，从强度较弱的微凸起开始被逐步破坏，导致在摩擦过程中实际接触的摩擦面增加，从而使摩擦阻力逐渐减小。

图1所示为在不同法向载荷下Ti3AlC2对45钢摩擦表面的SEM扫描电镜形貌。从图1（a）可以看出：在法向载荷为10 N时，摩擦表面形成了很多浅而连续的划痕。分析推断认为：这些划痕是由于摩擦表面生成了一层物质，这层物质的硬度比45钢小。从图1（b）可以看出：在法向载荷为20 N时，摩擦表面的生成物越来越多，浅而连续的划痕消失，生成物出现滑动累积和剥落的现象。分析推断认为：这些生成物滑动累积和剥落的现象则是因为这层生成物具有一定的流动性和黏性，随着法向载荷的增加而产生的；而摩擦表面划痕消失是上述摩擦表面微凸起被破坏，摩擦表面增加，生成的生成物增加覆盖所致。

表1 在不同法向载荷下Ti3AlC2对45钢的摩擦因数和磨损率

图1 在不同法向载荷下Ti3AlC2对45钢摩擦表面的SEM扫描电镜形貌

为了解摩擦表面生成物的成分，对其进行EDS（Energy Dispersive Spectroscopy）能谱仪图谱分析。图2所示为图1（b）中A点的EDS图谱。从图2可以看出：摩擦表面生成物由Ti、Al、C、O和Fe元素组成。由文献［11-12］可知：摩擦过程中，由于摩擦产生的摩擦热使Ti3AlC2的摩擦表面分解，与空气中的O发生氧化反应，生成由Ti、Al、Fe和O组成的非晶态氧化物，C元素则与空气中的O生成气体氧化物，Fe元素则是在摩擦过程中从45钢上脱落转移到Ti3AlC2摩擦表面的。

图2 图1（b）中A点的EDS图谱

为了进一步了解生成的氧化物，对摩擦表面进行XRD X射线衍射分析。摩擦表面的XRD衍射分析如图3所示。从图3可以看出：摩擦表面没有出现Ti、Al、C、O和Fe组成氧化物的衍射峰，只有Ti3AlC2材料的衍射峰。由此可以确定，生成的氧化物薄膜是以非晶态存在的，否则会有Ti、Al和Fe氧化物的衍射峰存在。

图3 摩擦表面的XRD衍射分析示意

（2）Ti3AlC2对45钢的摩擦因数和磨损率与转速的关系。

表2为在不同转速下Ti3AlC2对45钢的摩擦因数和磨损率。从表2可以看出：随着摩擦速度的增加，摩擦因数减小，磨损率增加。速度与载荷对摩擦因数的影响机理相同，都是通过改变摩擦表面的接触面积影响的，因此出现上述结论的原因是：在相同的滑动路程下，随着速度的增加，摩擦表面微凸起被破坏的速度增加，导致在摩擦过程中Ti3AlC2材料实际接触的摩擦面增加，从而使产生的摩擦阻力逐渐减小，摩擦因数减小［13］。

在不同转速下Ti3AlC2对45钢摩擦表面的SEM扫描电镜形貌如图4所示。从图4可以看出：转速对摩擦表面形貌的影响与载荷摩擦表面形貌的影响趋势相同，都是随着转速或载荷的增加，摩擦表面生成的氧化层增多。从图4（b）中还可以看出：当转速为500 r/min时，Ti3AlC2的摩擦表面磨损比较严重，氧化层大量脱落，形成凹凸不平的摩擦面，主要原因是在高的转速下氧化层的破坏速度大于氧化层的形成速度，使黏着磨损剥落的氧化层进一步转变为磨粒磨损，加速摩擦面的磨损。

表2 在不同转速下Ti3AlC2对45钢的摩擦因数和磨损率

图4 在不同转速下Ti3AlC2对45钢摩擦表面的SEM扫描电镜形貌

从上述分析可知：在摩擦过程中摩擦表面会产生一层氧化物，这层氧化物保护基体材料不被磨损。文献［14-15］的研究指出：Ti3AlC2与生成氧化膜的界面结合强度大于85 MPa，并且氧化膜的存在使材料具有高温自愈能力，形成的氧化膜在材料的裂纹和刻痕处填充。由此可推断出：以Ti3AlC2作为钢管陶瓷内衬材料，能够很好地保护钢管基体在使用过程中不被破坏，可延长钢管使用寿命。

3 结论

（1）在摩擦过程中，产生的摩擦热使Ti3AlC2摩擦表面生成由Ti、Al、Fe和O组成的非晶态氧化物，这层氧化物起到了一定的润滑作用，使得Ti3AlC2块体材料的摩擦因数减小；在高的法向载荷或速度下，磨损主要是Ti3AlC2氧化层磨损，这种摩擦磨损方式保护了Ti3AlC2基体材料。

（2）Ti3AlC2材料的磨损主要是摩擦表面氧化层的磨损，若以Ti3AlC2材料作为钢管陶瓷内衬材料，将能够很好地保护钢管基体在使用过程不被破坏。

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●简讯

衡阳华菱钢管有限公司成功试轧150 mm×150 mm规格方管［发布日期：2016-09-20］2016年9月15日，衡阳华菱钢管有限公司（简称华菱衡钢）Φ340 mm连轧管机组成功试轧出3支150 mm×150 mm×10 mm规格方管，该方管为SJ3550H材质。为了满足用户要求（方管R角≤30°，直角±1°），华菱衡钢重新修改定径机架孔型，合理分配圆管机架过渡到方管机架的速度及减径率；在生产过程中，为了防止钢管常化出麻面，合理计算步进炉加热时间，使荒管输送符合定径机的要求，同时确保方管终轧温度满足工艺要求。

（摘自：衡阳华菱钢管有限公司网站）

番禺珠江钢管（珠海）有限公司新产品6.5 m超大直径钢管将应用于大型船舶制造［发布日期：2016-08-22］近日，番禺珠江钢管（珠海）有限公司成功生产出6 500 mm超大管径的三辊成型直缝焊管，将应用于大型船舶制造。

（摘自：珠江钢管网站）

宝钢集团超级13Cr特殊螺纹油井管打入中东市场［发布日期：2016-08-19］近日，由宝钢集团自主研发的超级13Cr特殊螺纹油井管产品BG13Cr-95S BGT获得中东市场首单，首次采购量达1 300 t。

（摘自：宝钢集团网站）

Study on Wear-resistance of Ti3AlC2Ceramic Lining Materialfor Steel Tube

CHENG Cheng1，ZHAO Yong1，TIAN Xiaojiang1，WANG Qiang1，LI Xiaolong1，YUE Mingjuan2
（1.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，China；2.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China）

Studied is the wear-resistance performance of Ti3AlC2ceramic lining material for steel tube.The experiment result shows that the heat resulting from friction will lead to the decomposition and oxidization of the friction surface of Ti3AlC2material and thus generate an amorphous oxide consisting of Ti，Al，Fe and O，which will in a sense play a role of lubricating.Under high normal load or speed，the friction coefficient of Ti3AlC2material decreases with the increasing of the amount of oxide.The majority of wear happens on the oxide layer of the friction surface，which will protect the Ti3AlC2base material.Therefore the use of Ti3AlC2material as ceramic lining for steel tube will be able to protect the base material of steel tube and prolong its service life.

steel tube；ceramic lining；Ti3AlC2；wear-resistance；friction coefficient；wear rate；oxide layer

TG113.23+1

B

1001-2311（2016）05-0020-04

2016-04-12；修定日期：2016-05-09）

*国家高技术研究发展计划项目（2013AA031303）

程逞（1988-），女，硕士，助理工程师，主要从事复合管材性能及新产品的研究工作。