白亞平,李建平,郭永春,楊　忠

(西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院,西安 710021)

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機(jī)械合金化-熱壓燒結(jié)Fe3Al的沖蝕磨損性能研究*

白亞平,李建平,郭永春,楊忠

(西安工業(yè)大學(xué) 材料與化工學(xué)院,西安 710021)

摘要：為了研究過程控制劑甲醇含量對Fe3Al材料沖蝕磨損性能的影響,通過高能球磨與熱壓燒結(jié)相結(jié)合的方法制備了不同過程控制劑甲醇含量的Fe3Al材料.采用MF-20沖蝕磨損試驗機(jī)對Fe3Al材料進(jìn)行含沙海水環(huán)境下的沖蝕磨損試驗,利用Quanta 400F掃描電子顯微鏡觀察材料的顯微組織和沖蝕形貌，結(jié)合電化學(xué)相關(guān)測試結(jié)果分析其沖蝕磨損失效機(jī)制.研究結(jié)果表明：過程控制劑甲醇的添加,Fe3Al基體中有第二相Fe3AlC0.5析出,有效提高其硬度,改善其靜態(tài)腐蝕性能.且甲醇添加后,Fe3Al材料沖蝕磨損性能較316不銹鋼提高23.7%以上,其失效方式以固體粒子犁削作用為主.當(dāng)甲醇添加量為0.5 mL時,Fe3Al材料具有最輕微的變形度,其犁溝現(xiàn)象最不明顯,說明其耐沖蝕磨損性能最好.

關(guān)鍵詞：Fe3Al材料;顯微組織;沖蝕磨損性能;甲醇含量

沖蝕磨損是引起材料破壞和設(shè)備失效的重要原因之一,廣泛存在于各個工業(yè)部門,如冶金、運輸、機(jī)械、能源、水利工程及航空航天等[1-3].在含沙海水中,沖蝕磨損導(dǎo)致的泵過流部件損壞占總量的50% 以上[4].而海水中的氯離子被公認(rèn)為對鈍化金屬危害巨大的“金屬病毒”,即使是合金元素含量較高的不銹鋼,也會被海水中的氯離子降低表面鈍化能力,從而導(dǎo)致孔蝕[5].對于在含沙海水中服役的結(jié)構(gòu)件材料來說,必須同時考慮其耐磨性和耐蝕性.我國用作艦船動力泵葉輪、泵體、泵蓋和密封環(huán)的制造材料主要包含兩種：錫鋅鉛鎳青銅(ZCuSn3Zn8Pb6Ni1)與硅黃銅(ZCuZn16Si4)，前者鑄件組織致密性較差，硬度與強度較低，延伸率也較小；后者在溫度升高時塑性下降明顯，容易發(fā)生熱裂.這兩種材料在海水中均存在較明顯的腐蝕現(xiàn)象，都有腐蝕層生成.基于此，在含沙海水的工況中,材料工作者一直致力于研發(fā)新型的耐沖蝕磨損材料用以取代傳統(tǒng)材料[6].

金屬間化合物Fe3Al材料因具有優(yōu)異的高溫復(fù)雜氣氛腐蝕抗力、抗硫化性能及較高的加工硬化速率，600 ℃以下具有較高且穩(wěn)定的強度，加之因不含戰(zhàn)略性金屬元素而成本低廉，被稱為“窮人用的不銹鋼”,而且兼顧較高的耐磨性有望應(yīng)用于含沙海水中的過流部件[6].粉末冶金制備Fe3Al較傳統(tǒng)鑄造法制備材料性能更為優(yōu)異，然而機(jī)械合金化過程中粉體團(tuán)聚導(dǎo)致材料最終性能下降是研究者一直以來要解決的一大難題[6-8].已有研究表明，過程控制劑的添加對其團(tuán)聚現(xiàn)象明顯改善,但導(dǎo)致雜質(zhì)相的引入,極大可能降低其腐蝕性能[7-8].因此,本文采用機(jī)械合金化與熱壓燒結(jié)相結(jié)合的方法制備Fe3Al材料,研究過程控制劑甲醇添加量對其模擬海水環(huán)境下的靜態(tài)腐蝕性能與沖蝕磨損性能的影響.

1實驗材料與方法

本試驗中采用純度為99%的Fe粉和Al粉按原子比Fe∶Al=3∶1進(jìn)行配料,在XQM-4L型變頻行星式球磨機(jī)進(jìn)行機(jī)械合金化(Mechanical Alloying,MA)制備Fe3Al粉體,之后熱壓燒結(jié)(Hot Pressed Sintering,HP)得到Fe3Al塊體材料.為了減小球磨粉末粒度和晶粒尺寸,并且提高出粉率,防止粘模粘罐現(xiàn)在的發(fā)生,采用甲醇(CH3OH)作為機(jī)械合金化工藝中過程控制劑.由于機(jī)械合金化過程中過程控制劑的用量往往低于混合粉末總重量的5%，因此本試驗分別加入0 mL、0.5 mL、1.0 mL及1.5 mL的甲醇(質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0%,0.8%,1.6%和2.4%),以探索不同添加量對材料耐沖蝕性能的影響.球磨試驗在室溫下進(jìn)行，球磨設(shè)備采用南京科析實驗儀器研究所研制的XQM-4L型變頻行星式球磨機(jī)，其中球磨機(jī)球磨罐和磨球材質(zhì)均為1Cr18Ni9Ti不銹鋼.將59.5 g元素混合粉末、595 g直徑為 ?10 mm的不銹鋼磨球和不同含量甲醇(分別為0 mL、0.5 mL、1.0 mL及1.5 mL)共同放入球磨罐中，用O型密封圈密封后對球磨罐抽真空并充入高純氬氣，以防止球磨過程中混合粉末的氧化.HP采用普通真空熱壓燒結(jié)爐，模具材料選用國產(chǎn)高強石墨，最大燒結(jié)試樣尺寸為? 45 mm×10 mm.HP主要工藝參數(shù)為：真空度為1.33×10-2Pa，加熱速率為13 K·min-1，燒結(jié)溫度為1 473 K并保溫30 min，燒結(jié)壓力為30 MPa，模具尺寸為?45 mm，保溫完成后撤去壓力并隨爐冷卻至室溫，整個過程大約需要10 h.

靜態(tài)腐蝕性能測試：采用浸泡法,通過對比腐蝕失重率與腐蝕表面形貌,研究Fe3Al體系的靜態(tài)耐腐蝕性能,對比試樣為海洋環(huán)境中經(jīng)常使用的316不銹鋼(0Cr17Ni12Mo2).由于常將海水近似看作質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3% 或3.5% 的NaCl溶液,故試驗所用腐蝕介質(zhì)為3.5%的NaCl溶液(模擬海水),pH值為7.206.在浸泡試驗中,試樣尺寸為10 mm×10 mm×6 mm,根據(jù)ASTMG31-72,浸泡時間為168 h,溶液體積與試樣表面積之比約為0.44 mL·mm-2,在同一容器中浸泡三組相同成分的材料,腐蝕失重率取其平均值.

沖蝕磨損性能測試：采用設(shè)備型號為MF-20沖蝕磨損試驗機(jī)對Fe3Al材料進(jìn)行沖蝕磨損試驗,對比材料選用316不銹鋼.沖蝕介質(zhì)為含沙量為60 kg·m-3的3.5% NaCl溶液(模擬海水),沙粒材料為石英砂,粒度范圍為125～850 μm,硬度范圍為1 100～1 200 HV.沖蝕時間為5 h,沖擊角度為0°,沖擊速度為15 m·s-1,探索不同過程控制劑甲醇添加量對Fe3Al沖蝕磨損性能的影響.采用失重法對沖蝕磨損試驗后的材料進(jìn)行沖蝕磨損失重率測試,并采用Quanta 400F掃描電子顯微鏡觀察材料的顯微組織和沖蝕形貌,分析其沖蝕磨損失效機(jī)制.

2結(jié)果與討論

2.1顯微組織與力學(xué)性能

通過對MA-HP制備的不同甲醇含量的Fe3Al材料的組織和性能檢測,結(jié)果見表1.由表1可知,Fe3Al材料硬度均較316不銹鋼大,且隨著甲醇含量的提高,Fe3Al材料硬度逐漸增大.

經(jīng)過4%硝酸酒精腐蝕后,Fe3Al體系四種試驗材料的顯微組織在掃描電鏡(Scanning Electron Microscope,SEM)中的二次電子形貌對比如圖1所示.由圖1可看出,隨著甲醇添加量的增多,析出物的數(shù)量增加.通過對添加1.0 mL甲醇的Fe3Al材料的X射線衍射 (X-Ray Diffraction，XRD) 測試分析以及結(jié)合文獻(xiàn)[9]可知，析出物為Fe3AlC0.5相.

表1　Fe3Al體系試驗材料及性能Tab.1　Materials and properties of Fe3Al system

圖1　Fe3Al體系與316不銹鋼的顯微組織形貌Fig.1　Microstructure morphology of Fe3Al system and 316 stainless steel

2.2靜態(tài)腐蝕性能

將四種HP制備的Fe3Al試樣在模擬海水中進(jìn)行浸泡腐蝕,并與316不銹鋼作對比.圖2為各試樣的靜態(tài)腐蝕失重率對比圖.從圖2可看出,Fe3Al體系的耐腐蝕性能均很好,其腐蝕失重均小于對比樣316不銹鋼.其中,添加0.5 mL甲醇的試樣具有最小的靜態(tài)腐蝕失重率.

根據(jù)腐蝕嚴(yán)重程度,將甲醇含量分別為0 mL、0.5 m、1.0 mL和1.5 mL Fe3Al試樣與對比樣316不銹鋼試樣的腐蝕表面進(jìn)行SEM觀察,如圖3所示.從圖3可看出,Fe3Al體系材料在模擬海水中以點蝕為主.從圖3中試樣腐蝕表面可清晰的看到,腐蝕失重較大的0 mL試樣表面存在著許多呈圓形的點蝕坑.加入0.5 mL甲醇后,Fe3Al腐蝕表面的蝕坑不明顯,表明甲醇對提高耐蝕性具有積極作用.將甲醇添加量至1.5 mL時,表面腐蝕坑明顯增多,歸因于第二相Fe3AlC0.5相大量出現(xiàn),導(dǎo)致界面增多,耐腐蝕變差.在圖3的0.5 mL Fe3Al試樣與316不銹鋼試樣上均可看到較平整的腐蝕表面,基本看不到蝕坑,從腐蝕形貌上驗證了甲醇含量為0.5 mL的Fe3Al與316不銹鋼均具有優(yōu)異耐蝕性.

圖2　Fe3Al體系與316不銹鋼靜態(tài)腐蝕失重率Fig.2　Static corrosion weight loss rate of Fe3Al system and 316 stainless steel

圖3　Fe3Al體系與316不銹鋼靜態(tài)腐蝕表面形貌Fig.3　Static corrosion surface morphology of Fe3Al system and 316 stainless steel

圖4為浸泡15 min待開路電位達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后,四種Fe3Al分別與316不銹鋼的靜態(tài)極化曲線對比圖.從圖4中可看出,Fe3Al與316不銹鋼相比均具有更明顯的鈍化區(qū)域,尤其是甲醇含量為0.5mL的Fe3Al試樣.此外,四種Fe3Al試樣的自腐蝕電位均高于316不銹鋼,進(jìn)一步說明其耐腐蝕性能的優(yōu)越性.

表2中為各Fe3Al試樣與316不銹鋼極化曲線的Tafel擬合結(jié)果(包括自腐蝕電位、腐蝕速率與陽極Tafel斜率).陽極Tafel斜率可在一定程度上反應(yīng)腐蝕陽極的極化性能.由表2中各試樣耐蝕性能參數(shù)值對比可知,其結(jié)果與靜態(tài)腐蝕失重率相一致.

圖4　Fe3Al體系試樣與316不銹鋼的極化曲線Fig.4　Polarization curves of Fe3Al samples and 316 stainless steel 表2　Fe3Al體系與316不銹鋼的電化學(xué)擬合結(jié)果Tab.2　Electrochemical fitting results of Fe3Al system and 316 stainless steel

試樣自腐蝕電位Ecorr/mV腐蝕速率Vcorr/g·m-2·h-1陽極Tafel斜率Ba/mVFe3Al0.0mL-558.2930.007756356.270.5mL-360.4900.003415583.441.0mL-380.2570.004653414.001.5mL-392.9500.005248393.83316不銹鋼-570.3820.008843332.82

2.3沖蝕磨損性能

對Fe3Al試樣進(jìn)行沖蝕磨損試驗,同樣與316不銹鋼做對比,結(jié)果如圖5所示.由圖5可知,不同甲醇添加量的四種Fe3Al試樣的沖蝕磨損失重率均小于316不銹鋼,并且添加0.5 mL甲醇的試樣具有最小的沖蝕磨損失重率.HP燒結(jié)的四種Fe3Al均具有比316不銹鋼更突出的耐腐蝕性能與硬度,故其耐沖蝕磨損性能可優(yōu)于316不銹鋼,較316不銹鋼提高23.7%以上.

圖6為HP燒結(jié)的四種Fe3Al試樣在沖蝕速度為15 m·s-1下的沖蝕磨損表面形貌,并與316不銹鋼做對比.

在圖6中可看出,四種Fe3Al試樣的耐腐蝕性能均較好,在沖蝕磨損的過程中都以固體粒子對材料的犁削作用為主,基本看不到蝕坑的存在,并

且在流場的影響下,所形成的犁溝還具有一定的方向性.

圖5　Fe3Al與316不銹鋼沖蝕磨損失重率 與沖蝕速度的雙對數(shù)關(guān)系圖Fig.5　Double logarithmic relationship between erosion wear and erosion rate of Fe3Al and 316 stainless steel

圖6　Fe3Al體系與316不銹鋼的沖蝕磨損表面形貌Fig.6　Erosion wear surface morphology of Fe3Al system and 316 stainless steel

此外,四種Fe3Al試樣表面的變形程度均小于316不銹鋼,表明其沖蝕磨損性能的優(yōu)越性.其中,添加0.5 mL甲醇的試樣具有最輕微的變形度,其犁溝現(xiàn)象最不顯著.說明添加0.5 mL甲醇的Fe3Al試樣具有較優(yōu)異的抗沖蝕磨損性能.

3結(jié) 論

1) 過程控制劑甲醇的添加,Fe3Al基體中有第二相Fe3AlC0.5析出,有效提高其硬度,改善其靜態(tài)腐蝕性能,當(dāng)甲醇含量為0.5 mL時,Fe3Al材料的靜態(tài)耐腐蝕性能最好.

2) 不同甲醇含量的Fe3Al均具有優(yōu)越的沖蝕磨損性能,較316不銹鋼提高23.7%以上,且甲醇含量0.5 mL時,沖蝕磨損失重率最低.

3) Fe3Al材料在含沙海水沖蝕磨損的過程中以固體粒子犁削作用為主,添加0.5 mL甲醇的Fe3Al試樣具有最輕微的變形度,其犁溝現(xiàn)象最不明顯,說明其耐沖蝕磨損性能最好.

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(責(zé)任編輯、校對潘秋岑)

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DOI:10.16185/j.jxatu.edu.cn.2016.06.012

*收稿日期：2015-12-10

基金資助：國家基礎(chǔ)科學(xué)發(fā)展基金(2012CB619602-3;2012CB619602-2);西安交通大學(xué)金屬材料強度國家重點實驗室開放研究項目(20141602);西安工業(yè)大學(xué)校長基金項目(XAGDXJJ15010);陜西省科技廳計劃項目(2016JQ5071)

作者簡介：白亞平(1985-),女,西安工業(yè)大學(xué)講師,主要研究方向為鋁基復(fù)合材料與Fe-Al金屬間化合物.E-mail:jingpingxue2004@163.com.

文獻(xiàn)標(biāo)志碼:中圖號：TG146.2A

文章編號：1673-9965(2016)06-0498-06

Erosive Wear Behavior of Fe3Al Prepared by Mechanical Alloying-Hot Pressing Sintering

BAIYaping,LIJianping,GUOYongchun,YANGZhong

(School of Materials and Chemical Engineering,Xi’an Technological University,Xi’an 710021,China)

Abstract:In order to research the influence of process control agent methanol content on the erosion wear properties of Fe3Al materials prepared by high energy ball milling and hot pressing sintering,MF-20 erosion wear testing machine was used to test its erosion wear properties under sandy seawater environment.The microstructure and erosion morphology of the material were tested by Quanta 400F scanning electron microscopy,and combining with electrochemical test results,the erosion wear failure mechanism was explored.The results showed that the static corrosion resistance and mechanical properties were improved by adding process control agent methanol,due to Fe3AlC0.5precipitation.Fe3Al materials had excellent erosive wear behavior,increased by 23.7% compared with stainless steel 316,and the main failure mode was ploughing by solid particles.When the methanol amount of 0.5mL,Fe3Al material had the best erosion wear performance with the slightest degree of deformation and the slight ploughing phenomenon .

Key words:Fe3Al materials;microstructure;erosive wear behavior;methanol contents