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工程科学与技术,国际期刊24(2021)524全文文章滑动磨损和电化学电位对AISI 316不锈钢在海水Sabri Alkana,Mustafa Sabri GökbaBartın University,Vocational School of Higher Education,土耳其bBartın University,Engineering Faculty,Bartın 74100,Turkey阿提奇莱因福奥文章历史记录:收到2020年2020年5月4日修订2020年7月5日接受在线预订2020年保留字:AISI 316摩擦腐蚀滑动磨损腐蚀A B S T R A C T研究了AISI 316不锈钢与氧化铝球在自然海水环境中在5N载荷下的滑动摩擦腐蚀行为OCP(开路电位),恒电位(-1V和0.3 V)和动电位测量,以了解滑动磨损和电化学电位对AISI 316不锈钢在SWE中的摩擦腐蚀行为的影响。摩擦腐蚀实验进行了球-盘式往复式摩擦磨损试验机与三电极恒电位仪集成。用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和光学轮廓仪对磨痕表面进行了分析。在摩擦腐蚀条件下,机械效应降低了OCP和动电位扫描下的腐蚀电位。在OCP和-1 V电位下,由于机械效应占主导地位,对磨痕的犁削效应很明显。坑被确定为发展由于磨损和未磨损的表面之间的电偶的形成后,摩擦腐蚀试验,这是在0.3 V电位下进行。由于凹坑和表面上的氧化物的润滑作用,接触面积的减少导致在0.3 V电位下磨损区的摩擦系数(COF)最低。此 外 ,在-1V阴极保护电位(0.35)下获得的COF小于OCP条件(0.37),因为它只发生在磨损效应。研究还表明,从磨损痕迹的材料损失增加从阴极电位向阳极电位。©2020 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。1. 介绍由摩擦学和腐蚀科学组成的摩擦腐蚀是金属在电解液中同时暴露于机械和电化学效应而导致的不可逆材料转变[1,2]。由于海水的天然电解质性质,海洋工业是遭受摩擦腐蚀的重要行业之一[3]。在海水中不同动态磨损条件下运行的各种机器、设备和系统,如钻井设备[4]、风力和海流涡轮机[5,6]、船舶主发动机的某些部件[7]、船舶锚链[8]、管道系统[9]、泵[10]、阀门[11海洋机械、设备和系统中的摩擦腐蚀造成的材料损失和损坏偶尔会导致故障、事故、环境污染,并因此导致沉重的运营成本【16,17】。因此,*通讯作者。电子邮件地址:salkan@bartin.edu.tr(新加坡)Alkan)。由Karabuk大学负责进行同行审查确定在天然海水环境(SWE)中运行的由金属制成的机械和设备的摩擦腐蚀行为。不锈钢是最好的生产海洋设备和系统。由于1-3 nm厚的钝化氧化膜层可保护其表面免受腐蚀,因此它们显示出优异的耐腐蚀性不锈钢对某些局部腐蚀类型(如SWE中的点蚀和缝隙腐蚀)的敏感性是其弱点[16,19]。AISI 316是船舶工业中最常用的不锈钢类型之一,因为它具有很高的机械和耐腐蚀性。迄今为止,已经对AISI 316不锈钢在滑动接触下的摩擦腐蚀行为进行了一些研究。Garcia等人[20]发现AISI 316在硫酸溶液中的摩擦腐蚀行为包括两个主要阶段。根据Garcia和colloquies的观点,由于机械相互作用,钝化氧化层首先在磨损区的局部点处破裂,然后暂时失去其钝化特性的磨损区的一部分(活性轨道区域)再次被钝化此外,亨利等人。[21]还报道,当施加的负载值高于某个阈值时,它会破坏无源层。迪奥米https://doi.org/10.1016/j.jestch.2020.07.0042215-0986/©2020 Karabuk University.出版社:Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章(http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/)。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页:www.elsevier.com/locate/jestchS. Alkan,M.S.Gök/工程科学与技术,国际期刊24(2021)524525等人[22]得出结论,磨损痕迹中的钝化膜厚度会大大增加材料损失和摩擦值。机械效应破坏了OCP下的钝化膜层,导致腐蚀电位显著降低[23,24]。除了保护性钝化膜的行为外,Panthiaux et al.[25]表明,利用电化学技术可以获得有关腐蚀速率、再钝化、电化学反应与滑动接触区摩擦之间关系的信息许多研究人员强调,磨损痕迹和未磨损区域之间形成的电解槽可能会改变表面的电化学状态,并增加不锈钢的材料损失[21,22,32被称为协同作用的磨损和腐蚀之间的相互作用对摩擦腐蚀中材料损失的增加有很大影响[24,33,35恒电位测试允许测量材料的磨损引起的腐蚀和磨损-腐蚀协同作用[25,38]。阳极电位和阴极电位对摩擦系数的影响也不同.例如,Chen et al.[33]第33话我的幸福316 材料与 Al2O3 在人工SWE 中阴极电位最高,阳极电位最小在Obadele等人使用AISI 316进行的另一项研究[23],人工SWE中摩擦腐蚀造成的材料损失然而,在同一研究中,在3.5%NaCl溶液中AISI 316不锈钢的摩擦腐蚀引起的材料损失中,腐蚀引起的材料损失被确定为更占主导地位最近,Holmes et al.[39]发现,在人工唾液中进行的微磨损试验中,施加到AISI 316材料的载荷的增加以及第三体渗透到磨损痕迹区域中增加了腐蚀电流密度。虽然许多研究人员对AISI 316在不同电解液中的摩擦腐蚀行为进行了研究,但滑动磨损和电化学电位对AISI 316摩擦腐蚀行为的影响仍不清楚。有必要了解AISI 316在天然海水中摩擦腐蚀条件下的摩擦、微观结构和材料本文首次全面研究了滑动磨损和电化学电位对AISI 316不锈钢在自然SWE中摩擦腐蚀行为的影响。在这种情况下,OCP测量,恒电位和动电位扫描,以了解AISI 316在SWE中的AISI 316不锈钢在天然SWE(2.38%NaCl)中与氧化铝球摩擦,与大多数研究不同,其特征在于电感耦合等离子体发射光谱(ICP-OES)通过摩擦腐蚀试验研究了滑动磨损对电化学电位的影响,以及电化学电位对AISI316合金在SWE中材料损耗研究了AISI 316不锈钢的摩擦学性能,测定了不同电位下SWE的摩擦因数。利用扫描电镜(SEM)、能谱仪(EDS)和光学显微镜图像分析了AISI 316钢摩擦腐蚀后的微观组织和损伤机理,确定了摩擦腐蚀后的表面状况和材料损耗2. 材料和方法研究包括四个主要阶段:材料制备,摩擦腐蚀试验,分析和结果。在第一阶段中,进行样品的尺寸和表面制备。在此阶段,对样品进行切割、端面车削、研磨、抛光、电缆焊接以及最后的胶木操作在第二阶段,将样品置于腐蚀电池中,用ICP-OES法测定其含量。使氧化铝球与集成在摩擦计上的单元内的样品接触。恒电位仪用于通过放置在腐蚀电池内的电极记录电化学数据。在分析阶段对试样进行了SEM、EDS和光学显微镜观察。在此阶段,对COF、电化学数据、磨损痕迹体积、显微组织、变形和材料转移进行了评估。最后,介绍了分析和讨论的结果。2.1. 标本的制备在本研究的实验阶段,AISI 316不锈钢试样。将直径为20 mm的AISI 316不锈钢棒切割成10 mm厚的样品,然后机加工成9 mm。将每个样品(20 × 9 mm)分别使用不同粒度的SiC纸(如320、800、1200)研磨,直到获得镜面状表面,然后在丙酮和乙醇中清洗。在水基样品抛光装置中使用3μ m金刚石悬浮液和3μm天鹅绒毡在湿介质中抛光研磨样品的表面。在研磨和抛光过程的所有阶段,样品表面都在乙醇中清洁,以避免腐蚀和污染。为了仅使试样的上表面与电解液接触,在浸入摩擦腐蚀电池之前,用酚醛树脂密封试样的其余表面。因此,提供了与电解质接触的3.14cm2面积以避免测量期间的腐蚀相互作用。将具有护套的铜电缆焊接到样品的背面以记录电流和电势数据。AISI 316材料的化学性质在表1中给出。2.2. 表征通过SEM(TESCAN,MAIA 3 XMU型号)和EDS(OXFORD,X-Max)模型)。使用光学轮廓测定法(HUVITZ,HDS-5800型号)通过ICP-OES(PER-KIN ELMER OPTIMA 2100 DV模型)方法对实验中使用的天然海水进行的元素分析在表2中给出。从马尔马拉海抽取的海水的盐度(NaCl)比率确定为2.38%。2.3. 腐蚀和摩擦腐蚀试验摩擦腐蚀实验用与三电极恒电位仪(Gamry,Interface 1000型号)集成的球盘往复式摩擦计(Turkyus)进行在OCP测量和恒电位极化测试中应用1.2Hz(74rpm)的冲程频率、5N的正常载荷、6mm的氧化铝球由于其高硬度、低导电性和高贵的特性而被优选为直径为6mm的计数器体参比电极为饱和甘汞电极(SCE),对电极为铂丝,工作电极为AISI 316样品。测量所有电位与SCE的关系。由聚合物材料(Delrin)制成的用于防止腐蚀作用的腐蚀电池被集成到摩擦计中。所有实验均在25 ± 1 °C下进行。研究中使用的实验基础结构和组件如图所示。1.一、记录OCP以监测在加载和卸载条件下由于机械效应引起的电化学电位的变化。在摩擦腐蚀试验之前,将试样在海水中保持一小时,以达到稳定的OCP值。之后该526S. Alkan,M.S.Gök/工程科学与技术,国际期刊24(2021)524---表1AISI 316的化学性质(重量%)。化学成分(wt%)CRNi莫CSPSiMNFe17.210.22.10.04<0.03<0.045<1.0<2.0巴尔表2实验中使用的天然海水的元素分析CAMgNaKSSr战略目标42.300 ppm7.716 ppm61.800 ppm3.155 ppm5.188 ppm2.90 ppm15.540 ppm图1.一、研究中使用的摩擦腐蚀实验装置:a)摩擦腐蚀系统和测试单元的示意图,b)实验室装置。开始摩擦腐蚀实验当测定OCP时,在前30分钟内测量无载电位值,然后开始摩擦。将样品对着氧化铝球研磨1小时。在此期间记录OCP和COF值在摩擦期之后,记录OCP另外30分钟以实现稳定的电势值,并且结束实验。在腐蚀和摩擦腐蚀条件下,以1 mV/s的扫描速度在1 V和2 V的电位之间进行动电位极化测试,以找出AISI 316材料的腐蚀动力学。此外,还进行了恒电位考虑到动电位极化曲线在阳极区和阴极区之一内,确定了所选电位。为了确定仅由磨损效应引起的材料损失,选择1 V阴极电位。因此,在SWE中AISI 316钢的阴极保护有助于解释纯机械磨损和磨损轨迹中的总材料损失的贡献。许多研究人员使用类似的测试程序来测量摩擦腐蚀中的机械磨损成分[35,47,48]。0.3选择V电位来研究AISI 316钢在SWE中摩擦腐蚀的阳极溶解.在测试期间,在工作电极和对电极之间具有合适的电流,施加的电势保持在稳定值。在这些电位下测量电流作为时间的函数,以监测相关反应的电化学动力学[46]。在极化测试中,与OCP一样,在5N载荷下将样品磨损1小时。2.4. 材料损失量的确定从磨损轨道的材料损失,发现乘轨道长度和平均横截面积的磨损轨道,这是从光学显微镜获得从每个样品的共同点进行三次测量,并将这些测量的平均值用于获得磨损痕迹的平均横截面积。3. 结果和讨论3.1. 滑动接触对电化学电位进行摩擦腐蚀试验,以确定在OCP条件下滑动接触对电化学电位的影响在摩擦腐蚀试验之前在海水中保持一小时的样品的OCP在1800 s结束时在无负载条件下达到约20 mV的稳定值,如图所示。二、此后,摩擦在5N负载下初始化,并且OCP在该时刻突然下降到约70mVGarcia等人和Henry等人解释说,钝化膜的劣化和机械效应导致OCP突然下降。因此,当摩擦开始时,OCP转移到更阴极的值,如先前的研究[20,21]。磨损过程在1小时内完成。在磨损期结束时,电位继续下降,最终在5400 s时达到-104 mV,S. Alkan,M.S.Gök/工程科学与技术,国际期刊24(2021)524527图二、摩擦腐蚀试验中OCP和COF的评价图三. 腐蚀和摩擦腐蚀条件下的动电位极化扫描。根据图 二、在5400 s末摩擦终止时,OCP急剧增加根据Berradja等人的研究,结果指出了磨损区的钝化氧化膜重新形成。[40]. 但是,由于表面变形,在摩擦期之前,OCP不能恢复到原来的值COF与OCP的叠加图也在图中给出。 二、 根据图 2、COF随时间的推移不断增加,而OCP则不断下降。COF的平均值被确定为0.37。AISI 316在SWE中在-1V(SCE)和2 V电位之间的动电位极化曲线,和摩擦腐蚀(5N负载)条件在图3中给出。AISI 316钢在静态腐蚀和摩擦腐蚀过程中图四、阳极极化(0.3 V)和阴极极化(-1 V)条件下。图五、不同电化学电位下COF的评价528S. Alkan,M.S.Gök/工程科学与技术,国际期刊24(2021)524--图第六章摩擦腐蚀实验后AISI 316样品的SEM分析:a)-1V,b)OCP,c)0.3 V。条件 根据图 3、摩擦腐蚀条件下的腐蚀电位为106 mV,低于静态腐蚀条件下的79 mV。这是磨损效应降低腐蚀电位的迹象报告的文献与结果一致[21,22]。 图 结果表明,随着腐蚀电流密度的增大,腐蚀电位向阴极方向移动。在摩擦腐蚀条件下,由于通过摩擦将新鲜金属表面暴露于溶液中,腐蚀电流密度增加[42]。然而,在摩擦腐蚀条件下的电流密度的波动,这是在图。 3归因于生成的去钝化产物[41]《易经》:“以德为先,以德为先。Tang等人和Hacisalihoglu等人在其研究中观察到不同钝化金属(如钛合金和不锈钢)的相似结果。在摩擦腐蚀条件下,动电位曲线的钝化区随腐蚀条件的不同而略有收缩.磨损痕迹中钝化膜的分层导致裸金属表面和钝化(未磨损)表面之间形成电流耦合[43]。此外,在动电位扫描中出现了构成SWE中不锈钢的弱点的点蚀的风险。不同的研究人员证实,电偶耦合的形成将导致高的腐蚀电位S. Alkan,M.S.Gök/工程科学与技术,国际期刊24(2021)524529------图第七章 EDS线光谱:磨痕中Cl和Na离子的测定在磨损和未磨损区域之间,这将增加阳极溶解和点蚀[13,25]。在滑动条件下的动电位极化测量过程中记录的COF的发展。图3还显示了COF和腐蚀电流密度之间的相关性。 COF在接近OCP时略微减小至约0.3,然而在穿过阳极区域后重新增加,如图2所示。3.第三章。Ismail等人[44]报告了摩擦腐蚀中动电位极化条件下取决于电位的这些结果表明,发展氧化膜可以减少钝化区的COFAISI 316磨损颗粒和阳极区域氧化铝降解形成的第三体可能导致相对较高的COF[45]。3.2. 电化学电位对摩擦行为的影响在1V和0.3V电位下进行恒电位极化测试,以确定电化学电位对AISI 316不锈钢的摩擦行为和材料损失图4显示了AISI 316在自然SWE中摩擦腐蚀实验期间阳极和阴极极化中腐蚀电流密度的演变。根据图4,在0.3 V电位下进行的恒电位试验在0.3V阳极电位下的恒电位试验中,腐蚀电流密度在试验期间为正值,约为20mA/cm ~ 2在1V下进行的恒电位测试期间,腐蚀电流密度为负值,约为(20)mA/ cm2,这表明成功地实现了阴极保护图5显示了在OCP和不同恒电位下COF的发展和平均值。如图所示,在阳极电位下获得最低的COF(0.34)。 五、其主要原因是由于形成凹坑而减少了接触面积(图10)。 6)和氧化物(图。 7)在磨损区。Obadele等人证实,磨损区的凹坑和氧化物可对AISI 310和AISI 316级钢在3.5%NaCl溶液中[23]。在1 V阴极保护下观察到的平均COF值(0.35)小于OCP条件下的平均COF值(0.37),因为仅发生磨损效应。根据图5,COF在所有三种电位中具有类似的随时间增加的趋势。这是由于基底表面和配对体之间的少量粘合剂和主要的研磨接触(图9)。此外,由于腐蚀产物,金属的新鲜表面暴露于电解质会导致摩擦增加[49]。3.3. 表面形态和分析在恒电位和OCP条件下进行每次摩擦腐蚀实验后,通过SEM、EDS和光学显微镜分析表面形貌的变化在磨痕中观察到了诸如划痕、犁削、微裂纹、材料脱离和折叠等塑性流动的磨损痕迹的结构,以及从SEM获得的轨道的宽度和深度,进行了检查。经测定,磨损痕迹的宽度和深度(磨损痕迹的体积)从阴极电位向阳极电位增加(图1A和1B)。6和10)。在1 V阴极电位下进行摩擦腐蚀试验后,磨损试样的表面分析由于在阴极电位下仅观察到磨损效应,因此摩擦对磨损痕迹的影响比腐蚀效应更显著。在图6a中,在1 V阴极电位下进行摩擦腐蚀试验后,在磨损轨迹中确定了许多几乎平行的犁削和凹槽 在OCP下进行的实验中,根据图,在磨损痕迹中检测到微裂纹。 6 b. Bateni等人在他们的研究中证实了磨损表面上裂纹的形成,并将裂纹的形成归因于原电池[50]。据不同研究人员[16,51-53]报道在本研究中,还在微裂纹中检测到Na和Cl离子,530S. Alkan,M.S.Gök/工程科学与技术,国际期刊24(2021)524--见图8。0.3 V恒电位摩擦腐蚀试验后磨损痕迹中氧化物的EDS分析。坑EDS光谱分析,根据图。 八、 图 8,在磨痕的横截面EDS线谱中,Fe、Cr、Ni元素的量在120 μ m和150 μ m之间减少,Na、Cl离子含量在同一时间段内呈上升趋势。因此,氯离子引起的点蚀和渗透到微裂纹的电位被揭示。 根据图 6 ℃时,在0.3 V电位下的磨损痕迹中也观察到凹坑,并且观察到更明显的腐蚀效应。在磨损痕迹中检测到的Na和Cl离子可在表面上引起腐蚀产物 坑(图 6 c)和氧化物形成(图。在0.3V电位下进行摩擦腐蚀试验后,在SEM和EDS分析的磨损痕迹中检测到7)。 图 7中,氧化物定义为光谱108中氧(O)的最高元素重量比(31.3%)。然而,图7中还圈出了分散在磨损痕迹中的其他氧化物。根据图7,氧气在所有其他光谱中也具有第二高的重量比(线总和,109和110)。表面上的氧化物层形成产生了中间层,并在阳极电位下降低了COF[50]。氧化铝和AISI 316之间的接触面积由于凹坑和氧化物的润滑作用而减少,在0.3 V电位下提供了最低的COF[54]。 Cl离子在0.3V电位下的点光谱中检测到非常低的水平,根据图。第七章3.4. 磨损痕迹磨损和腐蚀之间的相互作用,称为协同作用,强烈影响摩擦腐蚀中的材料损失。电化学电位的变化会引起接触表面上钝化膜的损坏甚至完全去除。在这种情况下,磨损引起的腐蚀或腐蚀引起的磨损可能在摩擦腐蚀中占主导地位[24]。在图9a中,观察到纯机械效应,例如磨损痕迹边缘的犁削和尖锐划痕粘着发生在磨损痕迹的局部点基底和相对面之间的粘滑行为彼此接触导致材料分离。磨损轨迹中的材料分离表明局部点存在粘着磨损,如图11和12所示。 9 B和9 C。在0.3 V电位下的磨损痕迹中确定了许多凹坑,并且在图9c中磨损痕迹边缘周围检测到了一个凹坑群,该凹坑群经历了腐蚀。图10显示了磨损轨迹结构的比较。图10显示了磨损轨迹结构的比较。根据图10,与在0.3V下形成的轨道结构相比,在1V下形成窄且浅的轨道结构,并且在0.3V下形成更宽且更深的轨道结构。在OCP。得出了不同电位下的材料损失量作为图10中,1 V时为0.00003mm3, OCP时为0.00040 mm3,0.3 V时为0.00051 mm3。此外,AISI 316在0.3 V下的摩擦腐蚀试验中的材料损失-1伏。见图9。不同电位下磨损痕迹的光学显微照片:a)-1 V,b)OCP,c)0.3V。S. Alkan,M.S.Gök/工程科学与技术,国际期刊24(2021)524531----见图10。 不同电化学电位下的磨痕体积。4. 结论在这项研究中,滑动磨损和电化学电位对AISI 316不锈钢在自然SWE中的摩擦腐蚀行为的影响进行了研究。基于实验,总结了以下结果1. 机械作用使磨痕中的氧化膜劣化,导致OCP中的阴极位移。摩擦效应的消失提供了再钝化和腐蚀电位的增加。2. 在0.3V阳极电位下获得最低的COF值为0.34。这一结果归因于凹坑的形成,导致接触表面减少,以及氧化物在磨损痕迹中具有润滑作用COF值为0.37,0.35在OCP和1 V,分别。3. 动电位扫描结果表明,摩擦腐蚀条件下的腐蚀电位和腐蚀电流密度均低于静态腐蚀条件下的腐蚀电位和腐蚀电流密度。在动电位扫描中,机械作用降低了腐蚀电位。4. 在OCP和1V电位下进行摩擦腐蚀试验后,在磨损痕迹的SEM图像中检测到犁削、材料剥离和微裂纹磨损痕迹和未磨损区域之间的电偶效应导致OCP处的表面出现裂纹在EDS分析中检测到的Cl离子加速了微裂纹中的腐蚀和点蚀。5. 从磨损痕迹的材料损失增加,从阴极- dic电位对阳极电位。最低的磨损轨道体积(0.00003 mm3)下获得1 V的阴极电位。在摩擦腐蚀试验中,AISI 316在0.3 V电位下的磨痕材料损失是1 V电位下的17倍竞争利益作者声明,他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系,可能会影响本文报告的工作。致谢本实验研究得到了土耳其Bartın大学科学研究项目协调单位(项目编号:2017- FEN CD-02)的支持。引用[1] S. Mischler,摩擦腐蚀中的摩擦电化学技术和解释方法:比较评价,Tribol。Int.41(2008)573https://doi.org/10.1016/j.triboint.2007.11.003[2] D. Landolt , S. Mischler , 钝 化 金 属 和 涂 层 的 摩 擦 腐 蚀 , WoodheadPublishing,2011。[3] A.洛佩斯-奥尔特加河Bayón,J.L. 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