D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.02.012 第22卷第2期 北京科技大学学报 Vol.22N0.2 2000年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2000 1Cr13不锈钢微动腐蚀中 腐蚀与磨损交互作用 王志刚李久青吴荫顺 北京科技大学材料科学与工程学院，治金部腐蚀一磨蚀与表面技术开放实验室，北京100083 摘要利用自制的微动腐蚀系统研究lCrl3在NaCI溶液中腐蚀与磨损的交互作用.实验发 现阴极保护不能完全抑制1Crl3在质量分数为3.5%NaC1溶液中的腐蚀，同时又考虑到液体润 滑作用与交互作用对微动腐蚀质量损失的影响效果相反，应该将其区分开来，建议用一种新的 数学模型来定量化评价交互作用. 关键词1C13不锈钢：微动腐蚀：交互作用 分类号TB304 为了定量研究腐蚀磨损交互作用，需要把 交流式无级变速电机1以一定速度旋转， 纯腐蚀量mcr、纯磨损量mwe、腐蚀对磨损的加 通过偏心轮2使驱动轴3以一定频率进行往复 速作用△mw、磨损对腐蚀的加速作用△mc区分 运动，而后通过碟簧组套构成的位移衰减器4 开来，同时寻找合适的方法来抑制腐蚀磨损中 使运动幅度以一定倍数衰减，从而使载物台5 的腐蚀因素，路新春四的研究结果表明：适当的 以一定的位移产生徽动.微动位移通过紧固螺 阴极保护能有效地降低双相不锈钢在硫酸介质 母8和碟簧9来实现，用非接触性传感器6进 中的腐蚀磨损率.我们从微动腐蚀入手，来研究 行监测.微动磨损采用球一平面的接触方式，6 腐蚀与磨损的交互作用.利用改装了白志君自 mmSiN,陶瓷球(G5级精度)做磨头13，通过金 制的微动腐蚀测试系统，探讨了腐蚀与磨损交 属杠7用砝码加上恒定的载荷.11是紧固载物 互作用定量化的问题. 台的装置. 进行电化学实验时，研究电极固定在电解 1实验方法 池底部的凹槽中，在电解池中暴露.电解池完全 微动腐蚀试验设备见图1. 固定在载物台上·毛细管与参比电极相连，尖端 10 图1微动腐蚀试验设备简图 1一电动机2一偏心轮3一驱动轴4-位移衰减器5一载物台6一非接触传感器 7一金属杠8一紧固螺母9一碟簧10一循环力传感器11一载物台12一电解槽13一磨头 Fig.1 Schematic diagram of fretting apparatus 1999-06-14收稿王志刚男25岁，硕士 *“863”计划新材料领域资助项目(No.715-008-0014)
第 22 卷 第 2 期 2 0 0 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u r n a l o f U n vi e rs i ty o f S e i e n e e a n d Te e h n o l o g y B e ji i n g V心1 . 2 2 N 0 . 2 A P r. 2 0 0 0 I C r1 3 不锈钢微动腐蚀 中 腐蚀 与磨损 交互作用 王志 刚 李久青 吴 荫顺 北京科技大学材料科学与工程学院 , 冶金 部腐蚀一 磨蚀 与表面技术 开放实验室 , 北京 10 0 0 8 3 摘 要 利用 自制 的微 动腐 蚀 系统研 究 IC r l3 在 N a CI 溶 液 中腐 蚀与 磨损 的交 互作用 . 实验 发 现 阴极保 护不 能完 全抑 制 IrC l3 在质 量 分数为 3 . 5 % N aC I 溶液 中 的腐蚀 , 同时又 考虑 到液体 润 滑 作用 与 交互作 用对 微动腐 蚀质 量损 失 的影响 效果相 反 , 应 该将其 区 分开来 . 建议用 一种 新的 数学 模型 来定 量化 评价 交互 作用 . 关键 词 IC 1r 3 不锈 钢 : 微动 腐蚀 ; 交 互作 用 分类 号 T B 3 0 4 为 了 定量研究 腐蚀 磨损 交互 作用 , 需要 把 纯腐蚀量 m cor 、 纯磨损 量 m w ae r 、 腐蚀对 磨损 的加 速作用 △m w 、 磨损对 腐蚀 的加速 作用 △m 。 区 分 开 来 , 同时 寻 找合适 的 方法来抑 制腐蚀磨损 中 的腐蚀 因 素 . 路 新春 11] 的研究 结果 表 明 : 适 当的 阴 极 保护 能 有效地 降低 双相不锈钢 在硫 酸介质 中 的腐蚀磨损率 . 我们 从微动腐蚀入 手 , 来研 究 腐蚀与磨损 的交互 作用 . 利用改装 了 白志 君 〔2 , 自 制 的微 动腐蚀测 试系统 , 探讨 了 腐蚀与磨 损交 互 作用 定量化 的 问题 . 1 实验方 法 微动 腐蚀试验 设备见 图 交 流式无 级变速 电机 1 以 一 定 速 度旋转 , 通过 偏心轮 2 使驱 动 轴 3 以 一 定频率进行往 复 运动 , 而 后 通 过碟簧组 套 构成 的位移 衰减器 4 使运 动 幅度 以 一 定倍数衰减 , 从 而 使载物 台 5 以 一 定 的位移产 生 微动 . 微动 位 移通过紧 固 螺 母 8 和 碟簧 9 来 实现 , 用 非 接触性传 感器 6 进 行监测 . 微动磨损采用球一平 面 的接触方式 , 中6 m m s i 3 N 4 陶 瓷 球 ( G S 级 精度 )做 磨头 1 3 , 通过 金 属 杠 7 用 祛码加 上恒 定 的载荷 . n 是 紧 固载物 台的装置 . 进 行 电化学 实验 时 , 研 究 电极固 定在 电解 池底部 的凹 槽 中 , 在 电解池 中暴露 . 电解池 完全 固定在载物 台上 . 毛 细 管与参 比 电极相 连 , 尖端 7 r - 一- 5 图 1 微 动腐 蚀试 验 设备 简图 1一 电动 机 2 一 偏心 轮 3 一 驱 动轴 4一 位移 衰减 器 5一 载物 台 6 一 非接 触传 感器 7一 金属 杠 8 一 紧 固螺 母 9一 碟 簧 10 一 循环 力传感 器 1 一 载物 台 12 一 电解 槽 13 一 磨头 F ig . 1 S e h e m a t i e d i a g r a m o f fer t ti n g a PP a r a t u s 199 9 一 0 6 一 14 收稿 王志 刚 男 , 25 岁 , 硕 士 * “ 8 63 ” 计划 新材 料领 域资 助项 目(N .0 71 5 一 0 8 一 0 14) DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2000. 02. 012
2000年第2期 王志刚等：1C13不锈钢微动腐蚀中腐蚀与磨损交互作用 ·139 逼近试样与陶瓷球的接触点：采用饱和甘汞电 质量损失为1.1μg.阴极保护不能完全抑制腐蚀， 极(SCE)作参比电极，Pt为辅助电极.阴极保护 但使腐蚀减轻了93.6%. 电源为PS一1型恒电位/恒电流仪. 2.4塔菲尔直线外推法测定微动腐蚀中腐蚀分量 试样的制备：A类试样，1Cr13不锈钢，尺寸 定量研究微动腐蚀中腐蚀与磨损的交互作 规格15mm×15mm×3mm:B类试样，1Crl3不锈 用，必须确定微动腐蚀中的腐蚀分量△m的数值. 钢，尺寸规格15mm×15mm×3mm用环氧树脂 1C13在氯化钠中微动腐蚀过程受活化控制.我 封成电极，引出导线.A、B类试样均用水砂纸从 们用塔菲尔直线外推法求出icm,根据以下公式 150依次打磨到1200：再用1.5um的抛光膏抛 可算出△m的大小： 光，直至光学显微镜100倍下观察不到明显的 △m=MnF)-icm·S 划痕：清水清洗、无水乙醇擦拭后，去离子水清 其中：△m为溶解的物质的量：M为元素摩尔质 洗，冷风吹干，置于干燥器中待用. 量；m为自腐蚀电流强度；S为研究电极的面 微动介质：A类试样的介质为空气、去离子 积，S-1.5cm×1.5cm:t为微动腐蚀实验的时间， 水、无水乙醇；B类试样的介质质量分数为3.5% 本文微动腐蚀的时间为70h. NaCl溶液，用分析纯NaCl和去离子水配制. 实验结果得出icm=58×10A/cm,计算得到 微动参数：微动频率为10Hz:微动周次为 △m=26.4μg. 2.5×10次：法向载荷为13N,微动在大气和室温 140 下进行，用失重法来衡量腐蚀磨损量.称量使用 120 万分之一的分析天平. 100 80 2实验结果与讨论 60 3.5%NaCl 2.1润滑对微动损伤的影响 40 试样在空气中微动后的质量损失为3.0g, 20 在无水乙醇中微动后的质量损失为1.5g.试样 0 在去离子水中微动后，表面光亮如初，中心凹坑 -500 -600 -700 -800-900 E/mV(SCE) 是陶瓷球和试样作用点，也呈光亮状，表面没有 图2阴极保护电位对1Cr13微动腐蚀的影响 明显的腐蚀产物.试样经过微动后的质量损失 Fig.1 Effect of cathodic protection potential on fretting 为1.5μg. corrosion 22阴极保护对微动腐蚀的影响 2.5腐蚀、磨损交互作用分析 在3.5%NaCl溶液中，微动条件完全一样， 腐蚀、磨损交互作用可以根据材料流失量 施加不同的阴极保护电位，对1C13微动腐蚀 简单地描述为：腐蚀磨损率不是单纯腐蚀率和 的影响见图2.由图可见，未加阴极保护时，即 单纯磨损率的加和，即腐蚀可以加速磨损，磨损 在自然腐蚀电位(-494mV)的条件下，质量损失 可以加速腐蚀，腐蚀磨损交互作用的数学模型 为61.9μg:随电位的负移质量损失逐渐减小， 可概括为： -670mV时质量损失达到最小，为83ug:此后 m总=mcor+mwea+△m (1) 随着阴极保护电位的负移，质量损失反而逐渐 其中，me为腐蚀、磨损联合作用造成材料的质量 增加：电位负于-800mV时质量损失大于未加 损失；mcm为纯腐蚀量，即单纯腐蚀引起材料的 阴极保护时的质量损失， 质量损失：mw为纯磨损量，即单纯磨损（在真 2.3平行对比实验结果 空或干燥的空气中)引起材料的质量损失；△m为 试样在3.5%NaC1溶液中静态腐蚀，没有微 腐蚀、磨损交互作用量. 动，也没有施加阴极保护时，实验后试样的质量 △m=ma-mcm-mwe=61.9-17.2-3.0=41.7μg. 损失为17.2g,即为纯腐蚀量， 交互作用量占总质量损失的百分比为： 在3.5%NaCl溶液中、没有微动的条件下， (△m/ma)×100%=(41.7/61.9)×100%=67.4%. 试样上施加的阴极保护电位为-670mV,其他的 数学模型(1)没有独立考虑湿腐蚀环境下的 实验条件与微动腐蚀都一样，实验前、后称重， 润滑减摩作用，而是把它笼统地归在交互作用
2 0 0 0 年 第 2 期 王志 刚等 : ICr 3l 不 锈 钢微 动腐 蚀 中腐 蚀与 磨损 交互 作用 一 1 3 9 - ó日Un 4 00 勺ùOR ù ù 6 、如V盖￡ 逼近试样 与陶 瓷 球 的接触 点 ; 采 用饱和 甘 汞 电 极 ( S C E) 作参 比 电极 , tP 为辅助 电极 . 阴极 保护 电源 为 P S 一 1 型 恒 电位 /恒 电流 仪 . 试样 的制备 : A 类试样 , I C r l3 不 锈钢 , 尺 寸 规格 15 m m X 15 m m X 3 1刀 n l ; B 类试 样 , I C r l 3 不 锈 钢 , 尺 寸规格 15 m m x l s m m x 3 r n ln 用 环 氧树脂 封 成 电极 , 引出 导线 . A 、 B 类试 样均用 水砂纸从 1 5以依次打磨 到 1 2 0 以; 再 用 1 . 5 脚 的 抛光 膏抛 光 , 直 至 光学显 微 镜 10 倍下 观察 不到 明 显 的 划 痕 ; 清 水清洗 、 无水 乙 醇 擦拭后 , 去 离子 水清 洗 , 冷风 吹干 , 置 于 干 燥器 中待 用 . 微动介 质 : A 类 试样 的介 质为空 气 、 去 离子 水 、 无水 乙 醇 ;B 类试 样 的介质 质量分 数 为 3 . 5 % N a C I 溶液 , 用 分析 纯 N a CI 和 去 离 子 水配制 . 微 动 参数 : 微 动 频率 为 10 H z ; 微动 周 次为 2 . 5 x l护 次 ; 法 向载荷为 13N , 微动 在大气和 室温 下 进行 . 用 失重法来衡量腐蚀 磨损 量 . 称量使用 万 分之一 的分析天 平 . 质量损 失为 1 . 1 林9 . 阴 极保护不 能 完全抑制腐蚀 , 但 使腐蚀减 轻 了 93 . 6% . .2 4 塔菲尔直线外推法测 定微动腐蚀中腐蚀分 量 定 量研 究微动 腐蚀 中腐蚀 与磨损 的交互 作 用 , 必 须 确定微动 腐蚀中的腐蚀分量△m 的数值 . I C r l3 在氯化钠 中微动腐蚀过程受活化 控制 . 我 们 用塔 菲尔直线外 推法 求出 ic 。 , 根据 以下 公 式 可 算 出△m 的大 小 : △m = M/ ( 刀月 · ico 。 · tS 其 中 : △m 为 溶解 的物质的量 ; M 为 元素 摩尔质 量 ; ic or 为 自腐蚀 电流强 度 ; S 为研 究电 极的面 积 , =s 1 . s c m x l . s c m ; t 为微动腐蚀实验的时间 , 本文 微动 腐蚀的时 间为 70 h . 实验结 果 得 出 ic 。 二 58 ` 10 3 A c/ m Z , 计 算得到 △m = 2 6 . 4 林9 . 八UO 片月 2 2 实验结果 与讨论 2 . 1 润滑对微动 损伤的影响 试样在 空气 中微动 后 的质量损 失为 3 . 0 林g , 在无水 乙 醇 中微动 后 的质 量损 失为 1 . 5 陀 . 试样 在去 离子 水 中微动 后 , 表面光亮如初 , 中心 凹坑 是 陶瓷 球和 试样 作用 点 , 也呈 光亮 状 , 表面没 有 明 显 的腐蚀 产物 . 试样经 过 微动后 的质量损 失 为 1 . 5 林9 . .2 2 阴极保护 对微动 腐蚀的影 响 在 3 . 5% N a CI 溶 液中 , 微动 条件完全 一 样 , 施加不 同 的 阴极 保护 电位 , 对 I C r 13 微动腐 蚀 的影 响见图 2 . 由 图 可 见 , 未加 阴极保 护 时 , 即 在 自然腐蚀 电位卜 4 94 m V )的 条件下 , 质量损失 为 61 . 9 林g ; 随 电位 的 负移 质量损 失逐渐 减小 , 一 6 7 0 m v 时质量 损失达 到 最小 , 为 .8 3 林g ; 此后 随着 阴 极保护 电位 的负移 , 质 量损 失反 而逐渐 增加 ; 电位负于 一 80 0 m V 时 质量损 失大于 未加 阴 极保护 时的 质量损 失 . .2 3 平行对 比实验结果 试样在 3 . 5 % N a CI 溶 液 中静态 腐蚀 , 没有微 动 , 也 没 有施 加 阴 极保护 时 , 实验后 试样的 质量 损 失为 17 2 林g , 即 为纯 腐蚀量 . 在 3 . 5% N a CI 溶液 中 、 没 有微动 的条件下 , 试样上施加 的阴 极保护 电位为 一 6 70 m V, 其他 的 实验条件 与微 动腐蚀 都一样 , 实验前 、 后 称重 , O L 一 — . 一一— 一一一一一` 一一一一一一一口 一 5 0 0 一 6 0 0 一 7 0 0 一 8 0 0 一 9 0 0 E/ m V ( SC E ) 图 2 阴极保 护 电位对 I C lr 3 微 动 腐蚀 的影 响 F ig . 1 E fe e t o f e a t h o d i e P or t e e t i o n P o t e n t i a l o n fr e t t i n g Co r r 0 S 10 n .2 5 腐蚀 、 磨损交互 作用分析 腐蚀 、 磨损 交互 作用可 以根据 材料流失量 简单 地描述 为 : 腐蚀 磨损 率不 是 单纯 腐蚀率和 单纯磨损 率的加 和 , 即腐蚀可 以加 速磨损 , 磨损 可 以 加 速腐 蚀 . 腐蚀 磨损交互 作用 的数学 模 型 可 概括为 : m 总 = m e o r + m w e , + △m ( 1) 其 中 , m 。为 腐蚀 、 磨损联合 作用造成材料的质量 损 失 ; m co 。 为纯 腐蚀量 , 即 单纯腐蚀引起材料的 质量损 失 ; m w ear 为纯磨损 量 , 即单纯磨损 (在真 空或干燥的空气 中) 引起材料的质量损失 ; △m 为 腐蚀 、 磨损 交互作用量 . △m = m 总 一 m c 二一 m w ear = 6 1 , 9 一 17 . 2 一 3 . 0 二 4 1 . 7 林9 . 交互作用量 占总 质量损 失的百 分 比为 : (A m /m 总 ) X 10 0 % = ( 4 1 . 7 /6 1 . 9 ) X 10 0 % = 6 7 . 4 % . 数学 模型 ( l) 没 有独立考虑湿腐蚀环 境下 的 润 滑 减摩作 用 , 而 是 把它 笼统地 归在交互 作用
*140· 北京科技大学学报 Vol.22 No.2 中，而液体对摩擦有润滑作用，与交互作用的效 纯磨损量规定为：阴极保护下的腐蚀、磨损共同 果相反.如把湿腐蚀环境下的润滑减摩作用笼 作用的质量损失，从本文实验结果可看出，阴极 统地归在交互作用中，就有可能在腐蚀与磨损 保护不能完全抑制腐蚀，没有被抑制的腐蚀与 之间出现“负”的交互作用.如姜晓霞对钛合金 微动会产生交互作用，因此纯磨损量中包含了 和几种不锈钢的研究就发现了在腐蚀介质中 一部分腐蚀量及部分腐蚀与磨损的交互作用 材料的质量损失比空气中的干磨损量还小的现 量，这是(3)式得出的△m偏小的原因.因此，我 象.一般这种“负”交互作用出现在介质腐蚀性 们建议用去离子水中的微动磨损量表示(3)式 弱、因腐蚀造成的损失小、而材料的质量损失以 中的纯磨损量wear· 磨损为主的条件下，其原因是由于与空气中的 已知me=61.9μg,mcm=17.2μg,mwam=1.5g, 干磨损失重相比，介质降低摩擦因数，对摩擦表 △me=9.2μg,那么△mw=me-mcom-mwe-△me=34 面有冷却作用，改变了摩擦副之间的表面状态， (μg);△m=△mc+△w=43.2g. 从而减小了磨损失重.我们建议在弱腐蚀的情 根据以上数据可进一步计算mcam/m,△mc/ 况下，把溶液的润滑作用单独列出来，并把数学 m总，△mc/mcm,△mcI△m等，把上述各数值列于表 模型(1)改写为： 1中，可对交互作用强度及腐蚀与磨损因素的 ms=mcon+mwea+△m-△hub (2) 贡献了解得更清楚， 由于实验条件的限制，试样在真空中微动 表11Cr13在3.5%NaC1溶液中微动腐蚀时腐蚀与磨损 磨损量无法知道，但可以把空气中的微动磨损 因素对交互作用的贡献 量近似看作干磨损量，其质量损失为3.0g:在 Table 1 Contribution of corrosion and wear to interaction 无水乙醇、去离子水中微动后的质量损失均为 for fretting corrosion of 1Cr13 in 3.5%NaCl solution 1.5g,液体的润滑作用减轻了微动磨损.无水 ma/μg 61.9 乙醇是有机非导电试剂，化学活性小，而去离子 mcsa/μg 17.2 mcon/mp 0.278 Amc /mcon 0.535 水的导电性亦很低，因此可认为1Cr13在无水 mwer/μg 1.5 mwe/mg0.024△ww 22.67 △mclμg 9.2 △me/mn0.149 △mc/△m0.213 乙醇或去离子水中不发生腐蚀.由此可以算出 △mwlg 34.0 △mw/ma0.549 △mw/△m0.787 H,O的润滑作用量（④mb)为1.5μg.1Cr13在 △mμg 43.2 △m/me 0.698 3.5%NaCl微动腐蚀质量损失ma=61.9μg,纯腐 蚀量为17.2μg,那么腐蚀、磨损的交互作用量 从表1可看出：由于微动的机械作用，1Cr13 为：△m=ma+△mLbr一mcom一mwea=43.2(μg）.腐蚀、 在3.5%NaC1溶液中的腐蚀速率增大了0.535倍； 磨损的交互作用量占微动腐蚀总质量损失的百 由于腐蚀作用，1Cr13在3.5%NaC1溶液中的磨 分比为69.8%.从以上结果可看出，1Cr13在3.5% 损速率比去离子水中增大了22.67倍：磨损对腐 NaCI溶液中，腐蚀与磨损的交互作用是微动腐 蚀的加速量占交互作用量的213%，腐蚀对磨损 蚀造成材料质量损失的主要原因， 的加速量占交互作用量的787%，这说明微动的 些学者建议将腐蚀、磨损的交互作用量 机械作用对腐蚀的加速量在总的交互作用损伤 分成两部分：即腐蚀对磨损的加速作用（△mw)和 中所占的份额相对较小，被腐蚀过程增大了的 磨损对腐蚀的加速作用（△mc).其数学模型： 微动机械作用产生的损伤却占有很大的份额. ma=mccm+mwee+△mw+△mc (3) 交互作用量占总质量损失的69.8%，这表明交互 其中，mwe为纯磨损量（一般以阴极保护下的质 作用是造成1Cr13在3.5%NaCl中失重严重的主 量损失表示)：△mw为腐蚀对磨损的加速量；△mc 要原因. 为磨损对腐蚀的加速量. 磨损对腐蚀的加速量（△mc)为微动腐蚀中 3结论 腐蚀分量减去纯腐蚀量(mc),从实验结果中可 (1)1Cr13在3.5%NaCl溶液中微动腐蚀时， 知：1Cr13在3.5%NaC1微动腐蚀中的腐蚀分量 腐蚀、磨损交互作用是造成材料严重破坏或流 为26.4ug,纯腐蚀量为17.2μg,那么磨损对腐蚀 失的主要原因.实验发现阴极保护不能完全抑 的加速量△me=9.2g. 制1Cr13在3.5%NaCl溶液中的腐蚀作用.在计 纯磨损量应该是真空中的磨损量.(3)式把 算腐蚀、磨损交互作用时，可以分别从2种不同
北 京 科 技 大 学 学 报 V b l 一 2 2 N O 一 2 中 , 而液体对摩擦有润滑作用 , 与交互作用 的效 果 相 反 . 如把湿腐 蚀环境 下 的 润 滑减 摩作用笼 统地 归 在交 互作用 中 , 就有 可 能在腐 蚀与磨损 之 间 出现 “ 负 ” 的 交互作用 . 如姜 晓霞对钦合金 和 几种不锈 钢 的研 究 〔3] 就 发现 了在腐 蚀介质 中 材 料的质量损失 比空 气 中的干磨 损量 还小的现 象 . 一 般 这种 “ 负 ” 交互 作用 出现在 介质腐蚀 性 弱 、 因腐蚀 造成的损 失 小 、 而 材 料的质量损失 以 磨损为 主 的条件 下 . 其 原 因是 由于 与空气 中的 干 磨损 失重相 比 , 介质降低摩擦 因数 , 对摩擦表 面有冷却 作用 , 改变 了摩擦副之 间 的表面状态 , 从 而减 小 了磨损 失重 . 我们建 议在弱腐蚀 的 情 况下 , 把溶液 的润滑作用 单独列 出来 , 并把数学 模型 ( l) 改写 为 : m 总 = m e +or m w 一+ △m 一 A m L u b r ( 2 ) 由 于 实验条 件 的限制 , 试 样在真 空 中微动 磨损 量无法 知 道 , 但 可 以把 空 气 中的微动 磨损 量近似 看作 干磨损 量 , 其质 量损 失为 3 . 0 林g ; 在 无 水 乙醇 、 去 离子 水 中微 动后 的质量 损 失均 为 1 . 5 协g , 液体 的 润 滑作 用减轻 了 微动 磨损 . 无 水 乙 醇 是 有机非导 电试剂 , 化 学活性小 , 而 去 离子 水的导 电性 亦很低 , 因此可 认 为 I C r l3 在无 水 乙 醇 或去 离子水 中不发 生腐 蚀 . 由 此可 以算 出 H Z o 的润 滑 作 用 量 (△m L u * )为 1 . 5 陀 . 1C r 13 在 3 . 5 % N a CI 微动 腐 蚀质量 损失m 总 = 61 . 9 林g , 纯 腐 蚀量为 1.7 2 陀 , 那 么 腐蚀 、 磨 损的交互 作用 量 为 : △m 一 m 总+ △m L u * 一 m e 。 r 一 m w e 。 二 4 3 . 2印g ) . 腐蚀 、 磨损的交互 作用 量 占微 动 腐蚀总 质量损失 的百 分 比为 69 . 8% . 从 以上 结果可 看出 , I C r l3 在 3 . 5 % N aC I溶液 中 , 腐蚀 与磨损 的交 互 作用 是微动 腐 蚀造成材 料质 量损 失的 主 要原 因 . 一 些学者 建议将腐蚀 、 磨损的交 互 作用量 分成两部分 : 即 腐蚀对磨损 的加速 作用 (△m w) 和 磨损 对 腐蚀 的 加速作 用 (A m c)[ 侧 . 其数 学模型 : m 总 = m e +or m w +ear △m w + △m 。 ( 3 ) 其 中 , m w 。 为纯磨损 量 (一般 以阴极保护下 的质 量损失表示) ; △m w 为腐蚀对磨损 的加速量 ; △m c 为磨损 对腐蚀 的加速量 . 磨损 对 腐蚀 的加速量 (△m C ) 为微动 腐蚀 中 腐蚀 分量减去 纯 腐蚀量 (m cor 〕 , 从实验结 果 中可 知 : I C r l 3 在 3 , 5% N a C I 微 动 腐蚀 中 的腐蚀 分 量 为 2 .6 4 林g , 纯腐蚀 量为 17 . 2 林g , 那 么 磨损 对腐蚀 的 加 速量 △m 。 = 9 . 2 陀 . 纯磨损 量应该 是真空 中的磨损量 . ( 3) 式把 纯磨 损量规定为 : 阴极保护 下 的腐蚀 、 磨损共 同 作用 的质量损失 . 从本 文实验结果可看 出 , 阴极 保护不 能完全抑制腐 蚀 , 没有被抑制 的腐蚀 与 微动会 产生 交 互 作用 , 因 此纯磨 损量 中包 含 了 一 部 分 腐蚀 量 及 部分 腐蚀 与磨 损 的 交 互 作 用 量 , 这 是 ( 3) 式得 出 的△m 偏小 的原因 . 因此 , 我 们 建 议用去 离子 水 中的微动 磨损量表 示 ( 3) 式 中的纯磨损量 。 w ea r . 已 知 m 总= 6 1 . 9 林g , m e =or 17 . 2 林g , m w o =ar 1 . 5 陀 , △m C = 9 .2 陀 , 那 么 △m w 二 m 总 一 m cor 一 m ~ 一△m =c 34 (协g ) : △m = △m e + △m w = 4 3 . 2 陀 . 根据 以 上 数据 可进 一 步计 算 m co 加 总 , △m c/ m 总 , △m c m/ cor , △m c A/ m 等 , 把 上 述各数值列 于 表 1 中 , 可 对交互 作用 强 度及 腐 蚀与磨损 因素 的 贡献 了解 得更 清 楚 . 表 1 1C lr 3 在 .3 5% N a CI 溶液 中微 动腐 蚀时腐 蚀 与磨损 因素 对 交互作 用 的贡 献 1知b l e 1 C o n t r i b U t i o n o f e o r 功 S i o n a n d w e a r t o i n t e r a e t i o n fo r f r e t i n g e o r or s i o n o f I C r l 3 i n 3 . 5% N a C I s o l u t ot n m 总 /林g m e 。洲林g m w ea 了林g A m c /林g 八m w /阳 △m/ 陀 6 1 . 9 1 7 . 2 1 . 5 9 . 2 3 4 . 0 4 3 . 2 m e 。 汀m 总 m w . 加 总 A m C /m 总 △m w m/ 总 △m m/ 总 0 . 2 7 8 0 . 0 2 4 0 . 1 4 9 0 . 5 4 9 0 . 6 9 8 △m C /m c 。 。 0 . 5 3 5 △m w /m w o . , 2 2 6宁 △m e 达m 0 . 2 1 3 么m w 怂m 0 . 7 8 7 从表 1 可看 出 : 由 于微动 的机械作用 , I C r l3 在 3 . 5 % N a CI 溶液 中的腐蚀速率增大了 0 . 5 35 倍 ; 由于 腐蚀作 用 , I rC 13 在 3 . 5% N a CI 溶液 中的磨 损 速 率 比去 离子水 中增大 了 2 . 67 倍 ; 磨损对腐 蚀 的加速量 占交互作用 量 的 21 . 3 % , 腐蚀对磨损 的 加速量 占交互作用 量 的 78 . 7 % , 这说 明微动 的 机械作用对腐蚀 的加速量在总 的交互作用损伤 中所 占的 份额相 对较小 , 被 腐蚀过程增大 了 的 微动机 械作用 产生 的损 伤却 占有很大 的份 额 . 交互作用量 占总质量损 失的 69 . 8% , 这表 明交互 作用是 造成 I C r l3 在 3 . 5 % N a CI 中失重 严重 的主 要原 因 . 3 结论 ( 1 ) I C r 1 3 在 3 . 5% N a C I 溶液 中微动腐蚀 时 , 腐蚀 、 磨损 交互 作用 是 造成材料 严重破坏或 流 失的主 要原 因 . 实验 发现 阴极保 护不 能完全抑 制 I rC 13 在 3 . 5% N a CI 溶液 中的腐蚀作用 . 在计 算腐 蚀 、 磨损交互作用 时 , 可 以分别从 2 种不 同
2000年第2期 王志刚等：1Cr13不锈钢傲动腐蚀中腐蚀与磨损交互作用 ·141· 的角度进行修正：一种方法是以1C13在空气 1Cr13在3.5%NaCl中失重严重的主要原因. 中的磨损量作为纯磨损量，同时考虑溶液的润 参考文献 滑作用；另一种方法是以1C13在去离子水中 的微动质量损失作为纯磨损量. 1路新春，李诗卓，姜晓葭，等，外加极化电位对双相不 锈钢在硫酸介质中腐蚀磨损行为及摩擦性能的影响 (2)由于微动的机械作用，1Cr13在3.5%NaCl 摩擦学学报，1996,16(2)：105 溶液中的腐蚀速率增大了0.535倍：由于腐蚀作 2白志君.3种金属植入材料的微动腐蚀行为及机理研 用，1Crl3在3.5%NaC1溶液中的磨损速率比去 究：[学位论文】.北京：北京科技大学，1998 离子水中增大了22.67倍：磨损对腐蚀的加速量 3 JiangX,LiS,Duan C,LiM.A Study ofthe Corrosive Wear 占交互作用量的213%，腐蚀对磨损的加速量占 of Ti-6Al-4V in Acid Medium.Wear,1989,129(2):293 4 ZhangT C,Jiang XX,Li S I,Lu X C.A Quantitive Esti- 交互作用量的78.7%，这说明微动的机械作用对 mation of the Synergy between Corrosion and Abrasion. 腐蚀的加速量在总的交互作用损伤中所占的份 Corrosion Sci,1994,30(12):1953 额相对较小，被腐蚀过程增大了的微动机械作 5李诗卓，李明，姜晓霞，张丹，等.18-8不锈钢在不同极 用产生的损伤却占有很大的份额.交互作用量 化电位下的腐蚀磨蚀行为，中国腐蚀与防护学报， 占总质量损失的69.8%，这表明交互作用是造成 1988,18(4):26 Synergy of Corrosion and Wear in the Fretting Corrosion of 1Cr13 Stainless Stee WANG Zhigang,LI Jiuqing,WU Yinshun Materials Science and Engineering School,UST Beijing,Beijing 100083,China ABSTRACT The synergy of corrosion and wear in the fretting corrosion of 1Cr13 stainless steel in NaCl solution was studied by means of the fretting corrosion measuring and testing system.In the experiments,it would be found that cathodic protection can not completely inhibit corrosion of 1Cr13 in 3.5%NaCl solution. Liquid lubrication effect on weight loss is contrary to synergetic effect,so lubrication effect should be differ- entiated from synergetic effect.A new mathematical model was presented to quantitatively estimate syner- getic effect of corrosion and wear. KEY WORDS 1Cr13 stainless steel;fretting corrosion;synergy
2 0 0 年 第 2 期 王 志 刚等 : IC r 3l 不锈 钢微 动腐 蚀 中腐 蚀与 磨损 交互 作用 一 1 4 1 的角度 进行修 正 : 一 种方法 是 以 IC r 3l 在空 气 中的磨损 量作 为纯磨损 量 , 同 时考虑溶 液 的润 滑作用 ; 另一 种方 法是 以 I C r l3 在去 离子 水 中 的微 动 质量损 失作 为纯磨损 量 . ( 2 )由于微 动的机械作用 , I C r 13 在 3 . 5 % N a C I 溶液 中的腐蚀速 率增大 了 .0 5 35 倍 ; 由于腐蚀作 用 , l e r l 3 在 3 . 5 % N a e l 溶液 中的磨损速 率 比去 离子 水 中增 大 了 2 2 . 67 倍 ; 磨损 对腐蚀 的加速量 占交互 作用量 的 21 . 3% , 腐蚀对磨损 的加速量 占 交互作用量 的 78 . 7% , 这说 明微动 的机械作用 对 腐蚀 的加速 量在总 的交互 作用 损伤 中所 占的份 额相 对较 小 , 被 腐蚀 过程增大 了 的微 动 机械作 用 产 生的 损伤 却 占有 很大 的份 额 . 交 互作用量 占总质量损 失的 69 . 8% , 这表 明交互作用 是造成 I rC l3 在 3 . 5% N a CI 中失重严重 的主 要 原 因 . 参 考 文 献 1 路新 春 , 李诗卓 , 姜 晓霞 ,等 . 外 加极 化 电位 对双 相不 锈 钢在硫 酸介质 中腐蚀 磨损行 为及摩擦 性能 的影 响 . 摩 擦 学学报 , 1 9 9 6 , 1 6 ( 2 ) : 10 5 2 白志 君 . 3 种金 属植 入材料 的微 动腐 蚀行 为及 机理研 究: [学 位论 文 ] . 北 京: 北 京科 技大 学 , 1 9 98 3 Ji a n g X , L I S , D u a n C , L IM . A S ut dy o f ht e C o r o s i v e W七ar o f T i 一 6 A I 一 4V i n A e id M e di u m . W七ar, 19 8 9 , 12 9( 2) : 2 9 3 4 Z h a n gT C , Ji an g X X , L I S I , L u X C . A Q u ant i ti v e E s ti - m at i o n o f th e S y n e gr y b e t w e e n C o rm s i o n an d A b ar s i o n . C o r o s i o n S e i , 19 94 , 3 0 ( 1 2 ) : 1 9 5 3 5 李 诗卓 , 李 明 , 姜 晓霞 , 张丹 ,等 . 18 一 8 不锈 钢在 不 同极 化 电位 下 的腐 蚀 磨 蚀行 为 . 中 国腐 蚀 与 防护 学报 , 19 8 8 , 1 8( 4 ) : 2 6 S y n e r g y o f C o r r o s i o n a n d 丫Ve a r i n t h e F r e t t i n g C o r r o s i o n o f I C f 13 S t s i n l e S S S t e e 环月刃G hZ iga ng, IL iJ qu ign, 砰 U枷 hs un M at e r i a l s S e i e n e e an d E n g i n e e r i n g S c h o o l , U S T B e ij i n g , B e ij i n g 10 0 0 8 3 , C h i n a A B S T R A C T T h e s y n e gr y o f e o r o s i o n an d w e a r i n ht e fr e t i n g e o r o s i o n o f I C r l 3 s t a i n l e s s st e e l i n N a C I s o lut i o n w a s s tu d i e d b y m e an s o f ht e fr e t i n g e o r o s i o n m e a s ur i n g an d t e s t i n g sy st e m . I n ht e e x P e r im e n t s , it w o u ld b e fo un d ht a t c a t h o d i e P r o et e t i o n e an n o t e om Pl e t e ly ihn ib it e o r o s i o n o f I C r l 3 i n 3 . 5% N a C I s o lut ion . L iq u id lub r i e at i o n e fe e t o n w e i g h t l o s s 1 5 e o n tr a yr t o sy n e gr e t i e e fe e t , 5 0 l u b r i e at i o n e fe e t s h o u ld b e d i fe r - e int at e d fr o m s y n e gr e t i e e fe c t . A n e w m a th e m at i c a l m o d e l w a s P er s e nt e d t o qu a n t it at i v e ly e st im at e s y n e r - g e t i e e fe e t o f c or o s i o n an d w e .ar K E Y W O R D S I C r 1 3 s at i n l e s s s t e e l; fer t i n g e o r o s i o n : s y n e gr y