Fe3Al基合金的摩擦磨损与腐蚀性能研究

摘要

煤矿开采环境复杂，磨损和腐蚀是造成煤矿综采设备失效的主要原因。优选具有良好耐磨和腐蚀性能的耐磨材料，在满足煤矿机械高耐磨性要求的同时，减轻煤矿机械自身重量，有利于提高其使用寿命，达到节能、减排的可持续发展目的。本文选用轻质、低廉的Fe3Al基合金为实验材料，对比研究了滑动和自由磨料工况磨损性能，探讨了模拟矿井淋水腐蚀工况的均匀腐蚀和电化学腐蚀性能，为煤矿机械Fe3Al基合金耐磨构件的应用提供技术支撑。论文所得主要结论如下： 滑动磨损实验表明，不同实验条件下Fe3Al基合金的摩擦系数曲线呈现初始阶段剧烈升高，小幅度下降后趋于稳定的变化趋势。相同实验条件下，Fe3Al基合金的磨损失重均低于HD450耐磨钢，表现出更好的抗滑动磨损性能。干摩擦时，Fe3Al基合金的磨损机理主要为犁沟磨损和疲劳磨损，增大载荷，疲劳剥落现象趋于严重。石英砂摩擦时，磨损机理主要为凿削磨损和犁沟磨损，随载荷的增加，磨损表面凿削坑加深，磨损失重增大。Fe3Al基合金的自由磨料磨损失重低于HD450钢，表现出较好的抗磨料磨损性能，磨损主要以凿坑与循环塑变导致的疲劳剥落为主。 酸、中、碱矿井淋水均匀腐蚀实验表明，不同腐蚀周期内，Fe3Al基合金的均匀腐蚀失重及腐蚀速率均低于HD450耐磨钢，其中酸性工况环境的腐蚀速率最大，但也远远低于HD450耐磨钢。当腐蚀周期为24天时，Fe3Al基合金的腐蚀产物主要为FeO、FeOOH和Al2O3。酸性工况下，Fe3Al基合金的早期腐蚀机理主要为剥落腐蚀，随腐蚀周期延长逐渐过渡到局部点蚀与腐蚀沟。中性和碱性工况下，Fe3Al基合金的腐蚀表面存在Al2O3、Fe2O3钝化膜，其耐蚀性优于酸性工况。HD450钢在三种工况下腐蚀程度均严重，点蚀坑数量多且深，腐蚀面存在大量腐蚀沟槽。 电化学腐蚀实验表明中，304不锈钢、Fe3Al基合金和HD450钢在酸性工况下的开路电位最负，工作电极较参比电极更容易失去电子，腐蚀最易发生。中性腐蚀电位高于酸性和碱性，腐蚀倾向最小。三种腐蚀工况条件下，304不锈钢的开路电位均高于Fe3Al基合金和HD450钢，极化曲线均有明显的钝化平台，304不锈钢耐腐蚀性优于Fe3Al基合金和HD450钢。中性和碱性工况下，Fe3Al基合金的极化曲线直接进入了钝化平台，HD450钢并未出现明显钝化区，前者具有较好的耐腐蚀性能。304不锈钢、Fe3Al基合金和HD450钢的电化学等效电路图一致，均是溶液电阻Rs和电阻电容RpCp串联。304不锈钢在相同工况下的阻抗值最大，容抗弧半径最大，耐腐蚀性能最好，Fe3Al基合金次之，HD450耐腐蚀性最弱。

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致谢

变量注释表

1 绪论

1.1 研究背景

1.2Fe3Al金属间化合物

1.2.1 Fe3Al基合金的力学性能

1.2.2 Fe3Al合金的化学性能

1.3.1 对室温力学性能的影响

1.3.2 对高温力学的影响

1.3.3 对高温氧化性能的影响

1.3.4 对腐蚀性能的影响

1.4Fe3Al化合物合金研究现状

1.4.1 摩擦性能研究现状

1.4.2 腐蚀性能研究现状

1.5矿井设备磨损与腐蚀情况

1.6研究内容与方案

1.6.1 研究目标

1.6.2 研究内容

2 试验材料和研究方法

2.1 实验材料

2.2.1 金相组织

2.2.2 显微成分

2.2.3 拉伸试验

2.2.4 硬度测试

2.3摩擦磨损实验方法

2.3.1 环-块滑动磨损试验

2.3.2 自由磨料磨损试验

2.4.1 实验介质条件

2.4.2 均匀腐蚀腐蚀

2.4.3 电化学腐蚀

2.5.1 高速度数码显微系统

2.5.2 扫描电子显微镜（SEM）

2.5.3 XRD衍射分析

2.5.4 光电子能谱（XPS）分析

3 材料力学性能

3.1 金相组织

3.2微区成分分析

3.3拉伸实验结果

3.4表面硬度

4 Fe3Al基合金的磨损性能及机理

4.1.1 摩擦系数分析

4.1.2 磨损性能分析

4.1.3 磨损形貌

4.1.4 X射线衍射分析

4.2自由磨料磨损性能及机理

4.2.1 磨损失重

4.2.2 磨损机理分析

4.3 本章小结

5 Fe3Al基合金的腐蚀性能及机理

5.1.1 腐蚀失重

5.1.2 腐蚀产物分析

5.1.3 腐蚀宏观形貌特征

5.1.4 腐蚀组织及机理分析

5.2矿井水工况的电化学腐蚀

5.2.1 开路电位

5.2.2 Tafel极化曲线分析

5.2.3 电化学阻抗谱分析

5.3 本章小结

6 结论

参考文献

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