两种金属材料腐蚀磨损的交互作用

韩东霏

（中国白城兵器试验中心，吉林 白城 137001）

两种金属材料腐蚀磨损的交互作用

韩东霏

（中国白城兵器试验中心，吉林 白城 137001）

两种金属材料之间存在着交互作用，在环境因素一定时，主要受电化学和力学的综合作用。本次研究以45#钢和2Cr13不锈钢的交互作用为例，研究两种材料之间的交互作用，并通过构建交互作用图来探究力学因素和电化学因素对金属腐蚀磨损的影响。

金属；材料；腐蚀；磨损；交互

本文利用45#钢和2Cr13不锈钢两种金属材料，在将两种材料放置在含硫酸、硝酸、盐酸的石英沙的腐蚀磨损下，分别试验了45#钢和2Cr13各自的腐蚀率、磨损率和它们相互作用、相互影响后的腐蚀磨损率，根据测得的“腐蚀磨损交互值”，然后由他们之间的交互值绘出了45#钢和2Cr13不锈钢的腐蚀磨损交互作用关系图，在关系图中可以明确交互作用的数值关系，并从中发现金属材料究竟受什么因素影响最大，为解决金属材料受腐蚀磨损影响提高科学的解决思路。

1 概念和定义

（1）腐蚀磨损系统。在实际条件下的腐蚀磨损体系中，金属材料所受腐蚀影响的最大因素是电化学因素，而金属材料在实际条件下受磨损影响的最重要因素是力学因素，例如材料的表面剪切。在科学的金属腐蚀磨损体系中，考虑所有因素，金属材料受腐蚀磨损影响的因素有：材料因素影响，例如金属的成分、组织结构等一系列材料本身的影响；电化学因素影响，例如受何种腐蚀介质的影响、以及其浓度等；力学因素影响，例如受速度的影响；还有受环境因素的影响，例如湿度、温度、压力等等。而在环境因素固定不变的情况下时，比如温度、湿度、压力恒定不变，腐蚀磨损体系的决定因素就是力学因素、材料因素和电化学因素。

（2）腐蚀磨损的交互作用表示。在金属材料的腐蚀磨损体系中，若金属材料只受到电化学因素的影响，则金属材料受到腐蚀的作用；若金属材料只受到力学因素的作用，则金属材料受到磨损的影响；当金属材料受到力学因素还有电化学因素两者共同的作用时，则金属材料受到腐蚀磨损的影响；在本文中，我们将金属材料的腐蚀率记作Kc；磨损率记作Kw；Kcw表示金属材料所受到的腐蚀磨损率。而由于金属之间受到相互作用的影响，金属腐蚀磨损率不能用腐蚀率加磨损率，用字母表示即Kcw≠Kc+Kw。

实际上，

其中ΔKcw是金属材料在腐蚀磨损下的交互作用值，也被称作是腐蚀磨损的交互作用发量，用来表示金属材料在手电化学和力学因素共同影响下的材料损失变化量，根据（1）式可知 ΔKcw=Kcw-Kc-Kw，若腐蚀磨损率用材料在单位面积内受到的腐蚀磨损表示，则有公式

类似（1）公式中，Vcw表示材料受到的腐蚀磨损率，Vc表示材料的腐蚀率，Vw表示材料经受的磨损率。

2 实验部分

（1）实验材料。在本次实验中，我们采用的实验材料是2Cr13不锈钢和45#钢。其中2Cr13不锈钢的的主要化学成分有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，另外还有0.24%Ni，其余是Fe，2Cr13不锈钢的显微硬度是HV237；45#钢的主要化学成分是C、Si、Mn和Fe，其中少量的C、Si、Mn分别占比0.47%，0.31%和0.62%，显微硬度是HV234。

（2）实验方法。在本次实验中采用的实验机器是MSH型号的国产腐蚀磨损实验机器，在实验机器的试样架上分别对称装有4根完全相同试样用来实验比较，4根试样的直径为8mm，长度为53mm。由于考虑到腐蚀介质对材料的影响，在实验中选取的腐蚀介质有0. 05mol/L H2SO4水溶液，0.10mol/L HNO3水溶液以及0. 10 mol /L HCl溶液，与此同时，为了判断酸的浓度对实验结果的影响，我们设置了三个对照组，分别是0.0005mol/L H2SO4,溶液0.050mol/L H2SO4溶液和0.500mol/L H2SO4溶液。实验中对每组介质中配置腐蚀磨损浆体时，都加入粒度为0.35～ 0.75mm之间、20%是体积分数的石英砂，并对浆体设置组速度来冲击试样，分别为 2.3m/s，3.1m/s，4.6m/s，6.2m/s。每组的实验时间均设置为2.5h。另外，测量材料的腐蚀率时可用上述的腐蚀介质来实验，将上述的介质分别静置24小时来测试腐蚀率；测材料的磨损率时为排除酸碱溶液的影响，采用中性介质来测试，并在中性介质中加入相同的粒度为0.35～0.75mm之间、20%是体积分数的石英砂制成浆体，并且设置相同的速度冲蚀。实验中的称量仪器要求要用精密程度达到0.00001g的天平进行称量，并在在每次开始实验之前和结束实验之后，对每组试样都用丙酮进行一次超声波清洗并用烘干机烘干，称量之后求出单位面积内的磨损体积，然后再由上述的（2）式求解表示出腐蚀磨损交互作用值。

表1 试验材料的腐蚀磨损率

3 结果分析

45#钢和2Cr13不锈钢两种材料在不同浆体和不同冲击速度下的腐蚀磨损率如表1所示。当浆体的速度固定不变时，实验金属材料的腐蚀磨损交互作用伴随硫酸溶液浓度变化的关系图。当浆体重硫酸溶液的浓度越高时，交互作用则越强。当腐蚀介质的浓度一定时，金属所受的腐蚀磨损作用由浆体冲击速度的决定情况。如图所示，浆体的冲击速度越大，金属所受的交互作用越强。

4 腐蚀 磨损交互作用图

实验中发现，材料的腐蚀磨损交互作用值随着变量的改变而改变的，而为了探究变量与作用值之间的关系究竟是怎样的，深入研究金属所受腐蚀磨损影响，应当建立一种交互作用图来反应电化学因素、力学因素与交互作用值之间的关系。

两中实验材料在给定的条件下的交互作用图如图1所示，根据图中可知，图中的实线代表“等浓度线”，虚线表示“等速度线”，而当力学因素在两个变量中的影响减少时，等浓度线也随之减少。而金属表面在磨粒子的冲击下会发生形变和表层膜发生破裂等，这些现象都导致金属的耐腐蚀性的下降。分析图1可知，等浓度线随浆体中酸溶液浓度下降而下降，并且发现下降速度越来越快，表明当介质浓度较低时，对作用值起主导影响的因素是力学。当Vc/Vw值变大时，等速度线先急速增加后趋于缓慢，金属表面首先形成腐蚀膜，当介质的浓度刚开始提高时，金属的表面膜受到的影响最为严重，因此图1中的等速度线会急速增加。当金属发生腐蚀时，金属表面首先发生原子深度大小的溶解，然后扩大结晶，并且在金属上发生腐蚀。当金属受到冲击时，能够加剧金属表面的溶解与磨损。图中可以发现。等速度线随冲击速度增大而变大，这一现象的主要原因是加速导致在金属上造成较大的应力，进而使金属表面的变形区变多，使得金属面容易被粒子切削。

图1 45#钢和不锈钢的腐蚀磨损交互作用图

5 结语

金属发生腐蚀磨损受环境、材料、力学和电化学的综合影响，在环境因素固定不变时，主要受力学因素和电化学因素的交互作用。在实验中发现，当材料受力学因素影响恒定不变时，两种材料的交互作用随电化学影响的增大而变大；相类似，当电化学因素固定不变时，45#钢和2Cr13不锈钢受力学影响的增大而变大。构建交互作用关系图可以得知材料收两种因素的影响关系，用来分析研究磨损体系中电化学和力学对材料的影响。

TG171

A

1671-0711（2017）12（上）-0053-02