PDF《钝化处理 1Cr18N i9T i不锈钢在 H2 O2》

? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House.

All rights reserved. http://www.cnki.net 第29 卷第1期 摩擦学学报Vol .

29 No.

1 2009 年1月Tribology Jan. ,

2009 钝化处理 1Cr18Ni9Ti不锈钢在 H2 O2 水溶液中的摩擦学性能初探 王集辉

1 , 顾卡丽

1 , 吴莉2,李解1,袁成清

3 ,李健1(1. 武汉材料保护研究所 , 湖北 武汉 430030;

2. 武汉工程大学 ,湖北 武汉 430074;

3. 武汉理工大学 ,湖北 武汉 430063) 摘要:为研究 1Cr18N i9Ti不锈钢钝化膜在 H2O2 水溶液中的摩擦学性能 ,对1Cr18N i9Ti不锈钢表面进行了酸洗 钝化处理 ,利用 CS300电化学测试系统和 XPS对不锈钢表面钝化膜的电化学行为、 元素组成和化学状态进行了分 析 ;

用 SST销-盘式摩擦磨损试验机研究了 1Cr18N i9Ti不锈钢盘与 GCr15钢球摩擦副在不同浓度 H2O2 水溶液中 配副时的摩擦学性能 ;

用TR240形貌轮廓仪和扫描电子显微镜 ( SEM )观察分析了盘试样磨损处的轮廓形貌、 磨痕 面积和微区结构. 结果表明 , 1Cr18N i9Ti不锈钢经钝化工艺处理后 ,耐腐蚀性能显著提高 ,且表面形成一层富氧、 富铬、 贫铁的钝化膜 ,其主要成分是 Cr2O3 ;

钝化后的 1Cr18N i9Ti不锈钢在过氧化氢溶液中的摩擦系数较钝化前均出 现不同程度的降低 ,耐磨性提高 ;

钝化或未钝化的 1Cr18N i9Ti不锈钢在过氧化氢溶液中的磨损机理均表现为黏着 磨损、 磨粒磨损和腐蚀磨损 ,但在 90% H2O2 水溶液中 ,盘磨损表面的黏着作用明显减轻. 关键词 : 1Cr18N i9Ti;

过氧化氢 (H2O2 ) ;

钝化 ;

腐蚀磨损 中图分类号 : TH117.

3 文献标识码 : A 文章编号 :

1004 -

0595 (2009)

01 -

0017 -

08 高浓度过氧化氢 (H2 O2 )具有无毒、 无污染、 高 密度、 易储存、 高比热的优点 ,目前在国际推进剂领 域内被广泛地研究和应用 ,是一种理想的绿色推进 剂[1-6].高浓度过氧化氢和烃类 (如煤油 )组成的双 组元推进剂更是具有密度比冲高 ,冷却性能好等优 点 ,是目前最具竞争力的新型推进剂之一 ,部分发达 国家在该双组元推进剂方面的研究已取得了实质性 的进展和应用 [

7 -

10 ] . 新一代运载火箭推进系统中的部分运动部件 (如涡轮泵轴承 )和密封件等要求在 H2 O2 环境下工 作. 由于过氧化氢是一种强氧化剂 ,化学性质比较活 泼 ,与灰尘、 有机物、 部分过渡金属及其氧化物接触 时均会发生分解反应产生 O2 和H2 O 蒸汽 ,并放出 大量的热量 ,极易发生气相爆炸. 因此 ,凡与 H2 O2 环境接触的设备、 管道均应选用与其相容的材料. 1Cr18N i9Ti不锈钢作为过氧化氢的二级相容材料 , 不仅具有良好的机械强度和加工性能 ,同时抗晶间 腐蚀性能优异 ,因此在涉及过氧化氢的航天航空应 用领域内被广泛使用 [

11 ] . 目前 ,对高浓度过氧化氢环境下工作的摩擦部 件的摩擦磨损行为研究几乎还处于空白阶段. 不锈 钢表面生成的钝化膜是否能对过氧化氢与不锈钢中 的金属元素间的氧化反应起到隔离作用 ,并改善材 料在过氧化氢溶液中的摩擦学性能 ,以及损伤的材 料、 产生的磨屑和接触表面的温升等是否会影响高 浓度过氧化氢的稳定性等问题 ,都有待于大量的试 验研究来回答. 本文采用常规硝酸钝化工艺对 1Cr18N i9Ti不锈钢进行钝化处理 ,通过对其在不同 浓度过氧化氢介质中的摩擦学性能进行测试 ,以期 发现钝化处理对 1Cr18N i9Ti不锈钢在 H2 O2 溶液中 的摩擦磨损行为、 磨损机理及失效机制的影响规律.

1 实验部分 1.

1 试验材料 试验中 H2 O2 溶液的浓度分别为 30%、 60%和90% (上海哈勃化学技术有限公司 ). 盘试样材料为 收稿日期 :

2008 -

03 - 03;

修回日期 :

2008 -

08 - 06;

联系人 : 李健 , e - mail: lijianwuhan@ tom. com 基金项目 :国家重点基础研究发展计划资助项目 (2007CB607603). 作者简介 :李健 (1957 - ) ,男 ,研究员 ,博士生导师 ,长期从事摩擦学与表面工程技术研究. ? 1994-2009 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 1Cr18N i9Ti不锈钢 (上海唐元金属新材料有限公 司),化学成分见表 1. 在摩擦学试验中 , 1Cr18N i9Ti不锈钢被加工成 盘试样 ,表面粗糙度 Ra 值控制在 0.

5 ± 0. 05μm 范 围内 ,直径为

50 mm,孔径 8mm,厚度

8 mm. 对偶件 为市售 GCr15 轴承钢 球,直径为

8 mm, 硬度为HRC60 ± 1. 1.

2 试验条件和方法 采用传统的硝酸钝化工艺对 1Cr18N i9Ti不锈 钢进行钝化处理 [

12 -

13 ] ,工艺流程包括 :除油 → 水洗 → 酸洗 → 水洗 → 除挂灰 → 水洗 → 钝化 → 水洗 → 中和 → 水洗. 其中酸洗处理工作液为 HF - HNO3 体系. 样品经酸洗和水冲洗后 , 在含 10% NaOH 和4% K MnO4 的碱性高锰酸钾盐溶液中 71~82 ℃ 下浸泡 5~60 m in,以去除酸洗残渣. 钝化液选用浓度为 45%的硝酸溶液 ,处理温度

16 ~28 ℃,处理时间

6 h. 具体参数见表 2. 钝化膜质量检测 : ①按照 AST M A967 -

05 [

14 ] 采用硝酸 - 铁氰化钾蓝点生成法来检测钝化膜表面 游离铁的存在情况 ;

② 钝化处理完成后 ,将不锈钢 表11Cr18N i9Ti不锈钢的化学成分 Table

1 Chem ica l composition of 1Cr18N i9Ti sta inless steel wt% C Mn P S Si Cr Ni Ti Fe 0.

041 0.

79 0.

032 0.

002 0.

48 17.

41 8.

07 0.

22 Others 表21Cr18Ni9Ti不锈钢钝化工艺参数表 Table

2 Experi ment param eters of passiva tion for 1Cr18N i9Ti sta inless steel Parameters Degreasing and Cleaning Pickling Passivation Neutralization Solution / wt% Ultrasonic cleanout in acetone HF 3% , HNO3 10% HNO3 45% NaOH 5% T /℃ R. T .

16 -

28 16 -

28 R. T . t/min

15 <

30 360 2~5 在质量分数为 90%的过氧化氢溶液中浸渍

6 h进行 表面推进剂调整 ,通过气泡产生情况来检测钝化膜 质量是否符合试验要求. 采用 CS300电化学测试系统 ,用动电位极化法 测试不锈钢钝化膜的电化学行为. 测量采用三电极 系统 ,试验溶液为 1mol/L H2 SO4 ,室温. 辅助电极为 铂电极 ,参比电极为饱和甘汞电极 ( SCE) ,试件用环 氧树脂涂封 ,暴露面积为

1 cm

2 . 在进行动电位极化 扫描前 ,试件表面用丙酮清洗 ,并在

1 mol/L H2 SO4 溶液中预浸

40 m in,电位扫描速率

20 mV /m in, 初 始电位相对于开路电位 - 0.

2 V,当电流超过

1 mA 时扫描停止 , 每组电化学试验数据至少重复测 量 3次. 采用型号 PH I5702 - XPS多功能光电子能谱仪 分析钝化膜的组成成分及化学状态 ,光电子激发源 为AlKα(1

486 eV )射线 , C1s (284.

8 eV )作为内 标 ,测试电压

14 kV,功率

200 W. 摩擦学试验在德国 SST - ST销-盘摩擦磨损 试验机上进行 ,试验介质为不同浓度的 H2 O2 水溶 液和去离子水 ,盘试样为旋转上试样 , GCr15钢球为 固定下试样. 试验条件分别为 :温度

25 ±

1 ℃,时间

60 m in, 法向载荷

15 N,线速度 0.

219 8 m / s,每组试 验数据至少重复测量 3次. 在试验结束后 ,用TR240 形貌轮廓仪测量试样盘表面的轮廓形貌 ,运用图像 处理技术获得盘的磨痕截面积 ,并取 3次测量........