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影响0Cr18Ni9Ti不锈钢管摩擦学特性的因素

来源:至德钢业 日期:2020-05-23 19:12:57 人气:255

评定材料摩擦学特性的指标主要有摩擦系数、磨损量、磨损率和磨痕形貌等。影响不锈钢管摩擦学特性的因素分为外因和内因,外因包括载荷、滑动速度、温度、受力状态等不同工况条件,内因包括基体组织、第二相等因素。

外部因素

1)载荷

载荷是影响不锈钢管摩擦学特性的重要因素。随着载荷的增加,磨损距离往往也增大,并且磨损表面的塑性变形随之增大,使得材料表面的损伤增大,磨屑增多,进而导致磨损量增加。

韦习成等人对特殊工艺热处理、成分为0.22C-1.50Si-1.65Mn的新型相变诱发塑性(HSLASi-MnTRIP)钢的摩擦磨损性能进行研究,发现随着试验载荷的增加,试样的摩擦系数增大,而磨损量呈现出完全不同的变化趋势。在低载荷下,三者的摩擦系数差距较明显,但随着载荷增加,其差距缩小。管晓光等人采用MMS-2A型摩擦磨损试验机对不同热处理后的30CrMnSiA钢进行摩擦磨损性能实验,结果表明,在单独改变一个磨损条件变量时,如载荷或磨损距离或磨损速度,随着该变量的增大,经不同热处理后的30CrMnSiA钢件的磨损质量损失均增大。ZhangJian等人在对经不同热处理工艺下的ZG42CrMo钢进行摩擦磨损性能研究时,也得到类似的研究结果。

FariasSouza等人对载荷对奥氏体不锈钢管在无润滑磨损条件下的磨损行为的影响进行研究,发现随着载荷的增大,AISI316奥氏体不锈钢管的磨损率呈现先增大后减小的趋势,当载荷增大到14N时,磨损率达到最大值;载荷对不锈钢管磨损机制也有一定的影响,低载荷和高载荷情况下,磨损机制也会有所不同。

2)滑动速度

滑动速度对材料摩擦行为的影响主要体现在摩擦表面温度的变化上,滑动速度的大小影响磨损形式以及材料的磨损量。邓守军等人采用自制的销盘式摩擦磨损试验机,研究了PCrMo钢配副的干滑动摩擦学特性,结果表明,滑动速度增加,摩擦系数反而减小,滑动速度较小时,高低载荷下的摩擦系数变化趋势基本一致且温度性好;滑动速度较大时,高载荷下的摩擦系数变化幅度较大,稳定性较差。张晓娟等人在研究干滑动摩擦条件下滑动速度对45CrNi摩擦副摩擦学特性的影响规律时发现,随着滑动速度的增加,磨损率大体呈增大趋势,但在滑动速度为1.33m/s时出现异常转折点。文献认为摩擦过程中金属表面的原子比较活跃,与介质发生反应形成表面膜,摩擦在表面膜之间进行,摩擦过程中产生的摩擦热和摩擦表面的塑性变形均有利于表面膜的形成。当滑动速度较低时,金属表面形成一层比较致密的氧化膜,表面氧化膜的形成减少了表面间微凸体的接触,从而降低了材料的摩擦系数,同时大大降低了材料的磨损量;当滑动速度增大,摩擦表面氧化膜破裂速度大于摩擦表面氧化膜生成速度时,材料的磨损量增大,材料的磨损机制也转变为粘着磨损;随着滑动速度的继续增大,表面温升使得表面氧化膜生成速度大于破裂速度的可能性增加,金属表面重新形成比较致密氧化膜,此时氧化磨损占主导地位。此过程可能导致机械零件的失效破坏。不同的磨损机制所表现出来的磨痕形貌也有所不同。

3)温度

接触表面温度对磨损的影响至关重要。摩擦生热使得摩擦表面温度发生变化,进而改变材料表面的成分和性质,材料的磨损性质发生变化。杨忠诚等人研究了温度对QU-1000Cr18Ni9Ti不锈钢管组成摩擦副的干摩擦学特性的影响,结果表明,当温度从室温升高到600时,0Cr18Ni9Ti不锈钢管的高温平均摩擦系数是室温平均摩擦系数的1.38倍左右,高温时的磨损率降至室温时摩擦系数的1/2左右。这与Stott等在研究温度对铁基材料摩擦学特性的影响时所得出来的结论是一致的。

刘锟等人报道了温度对15-5PH不锈钢管的摩擦学性能的影响。当环境温度介于100~300之间时,随着温度的升高,材料的磨损率明显增加,而摩擦系数的增大很不明显;刘佐民等人在研究温度对M50高速钢的摩擦磨损性能的影响时得到相似的结果,并且还发现,当环境温度高于400时,高温和摩擦生热的共同作用使得材料的接触界面保持半熔融状态,摩擦表面形成致密的金属氧化膜,由于氧化膜具有润滑作用,因而摩擦系数明显降低,尤其在600下的摩擦系数和磨损率基本是始终最低,且呈现下降的趋势,由此可见摩擦表面温度直接影响摩擦表面氧化膜的生成,进而影响材料的摩擦阻力。

内部因素

1)基体组织

材料的耐磨性主要取决于基体中的组织及其数量、性质、形态和分布特点。有人认为马氏体基体相对奥氏体基体,具有更高的硬度,因而具有更好的耐磨性;而有人却认为奥氏体基体具有优良的塑韧性,其耐磨性要优于马氏体基体;还有人认为奥氏体基体诱发马氏体相变可以获得最好的耐磨性。刘喜明以18Cr2Ni4WA钢为试验材料研究摩擦诱发马氏体相变对材料磨损性能的影响,发现奥氏体相在摩擦过程中也会发生马氏体相变,在相同情况的下,原奥氏体量越多的试样诱发马氏体相变的可几率越大,相变量越多,试样的耐磨性越好;冷处理试件的淬火马氏体含量远多于奥氏体含量,试样摩擦过程中由奥氏体诱发马氏体相变的几率较小,相变量极少,尽管马氏体总量最多,但材料的耐磨性却是最低的,这充分证明了摩擦诱发马氏体相变有利于提高材料的耐磨性。

2)第二相

第二相的存在对材料耐磨性影响很大,近年来关于第二相对材料摩擦学特性影响的研究逐渐深入。碳化物是钢铁材料中最重要的第二相,钢铁材料中存在着如MCM2CM3CM7C3等各种类型的碳化物,其中以Fe3C硬度最低,VCTiCMC类型碳化物硬度最高。细小弥散分布的碳化物可以有效地保护基体,阻止磨粒的切入,防止裂纹的形成,对提高材料的耐磨性极其重要。刘海峰等人在研究高碳高钒高速钢的耐磨性时发现,大量细小、弥散分布的颗粒状MC碳化物的存在有利于提高高速钢的耐磨性,骨骼状M6C型碳化物数量的降低有利于提高其耐磨性。

研究意义及研究内容

17-4PH不锈钢管以及P550奥氏体不锈钢管均具有高强度、高韧性、高耐氧化性和高耐蚀性等优点,广泛应用于航空航天、核工业、石油、化工工业等领域。作为石油钻铤外壳材料的17-4PH不锈钢管以及P550奥氏体不锈钢管在服役过程中,往往由于受到地层环境的腐蚀和泥浆介质的摩擦磨损破坏而发生失效。海洋工程设施防腐阴极保护中通常采用铝、镁或锌及其合金作为牺牲阳极,但由于这些材料与被保护金属的电位差过大,使得牺牲阳极消耗过快,寿命太短,并存在安全隐患。而铁基牺牲阳极电流效率高、对不锈钢管的驱动电位适宜、成本低廉,有可能成为海洋中优异的17-4PH不锈钢管设施和P550不锈钢管设施阴极保护的牺牲阳极。因此,系统研究铁基牺牲阳极的性能、不锈钢管的摩擦学特性以及铁基牺牲阳极对不锈钢管的阴极保护效果,为铁基牺牲阳极在海洋工程和石化工程中的实际应用提供了实验和理论依据。本文采用四种碳钢材料20CrMn20CrMo20CrMnTi40CrMo作为铁基牺牲阳极材料,对模拟腐蚀环境中的17-4PH不锈钢管P550不锈钢管进行阴极保护。通过极化曲线法、循环伏安曲线法、恒电流法和自放电法等手段研究铁基牺牲阳极的电化学性能以及牺牲阳极的合金元素对17-4PHP550不锈钢管阴极保护效果的影响规律;采用MR-060型多功能摩擦磨损试验机研究17-4PHP550不锈钢管的摩擦磨损性能及其磨损机制。

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