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陶瓷/ 1Cr18Ni9Ti在H2O2溶液中磨损成分的研究
白秀琴1, a元晨清 1, b 李军1, c
武汉理工大学能源与动力工程学院，中国 武汉 430063
摘要：
在浓度分别为0％（纯水），10％，30％，50％，70％和90％的过氧化氢（H2O2）溶液中分析了三种陶瓷（ZrO2，Al2O3，Si3N4）/1Cr18Ni9不锈钢摩擦对的磨损性能。结果表明，在不同浓度的H2O2溶液下，当对应物为ZrO2陶瓷球时，1Cr18Ni9Ti不锈钢的磨损表面粗糙度大于其处于纯水中的表面粗糙度，而当对应物是Al2O3陶瓷球时，1Cr18Ni9Ti不锈钢的磨损表面粗糙度小于其处于纯水的表面粗糙度。对于ZrO2，Al2O3，Si3N4陶瓷球，Al2O3陶瓷球的平均磨损表面粗糙度最小，Si3N4陶瓷球的平均磨损表面粗糙度最大。当H2O2溶液浓度为10％时，来自ZrO2/1Cr18Ni9Ti和Al2O3/1Cr18Ni9Ti不锈钢摩擦对的金属颗粒具有尺寸大，表面光亮的特点。当H2O2溶液的浓度为70％和90％时，金属颗粒的表面被清除。
关键词：过氧化氢；陶瓷；1Cr18Ni9Ti；磨损颗粒；磨损表面粗糙度
简介
被称为绿色推进剂的过氧化氢，是航空航天发动机的首选，特别适用于运载火箭和轨道飞行器，它们在太空、载人、大气中长期运行并能被重复使用[1,2]。然而，由于高浓度的H2O2具有强烈的氧化作用，过氧化物发动机氧化剂涡轮泵的部分移动元件在环境中长期作为轴承、动态密封件、阀门和其他摩擦物料，在相互作用下，物理、化学和机械因素会发生过度的磨损失败。氧化作用发生在负载高，速度快的涡轮泵轴承，对火箭发动机的可靠性和高寿命运行造成危害。因此，与H2O2接触的设备和管道的材料必须与其相容[3]。
H2O2是二次相容材料，它具有高强度和硬度、耐高温、耐磨、耐腐蚀和化学稳定性等一系列优异性能，所以是现代军事、航空航天等高科技领域的重要结构和功能材料。1Cr18Ni9Ti是最常用的奥氏体不锈钢之一，也是H2O2的二次相容材料。它被广泛用作车辆排气管、锅炉管、化学设备和热交换器的无缝钢管的基材，因为其拥有优异的耐腐蚀性、耐热强度和高温抗氧化性。目前，还没有文章报道陶瓷和1Cr18Ni9Ti不锈钢摩擦对在高浓度过氧化氢（H2O2）溶液下的摩擦磨损[4-6]。本研究采用三种类型的陶瓷（ZrO2，Al2O3，Si3N4）和1Cr18Ni9Ti不锈钢擦拭板，分析了其磨损机理，为高强氧化环境下合理设计的配套提供了实验依据。
实验细节
陶瓷球/1Cr18Ni9Ti的摩擦磨损试验在立式万能摩擦试验机上完成。将样品（球或环）置于四氯乙烯溶液中进行清洗和干燥，然后再进行试验。配对部件1Cr18Ni9Ti环厚度为10mm，外径为54mm，内径为38mm，摩擦配对浸在0％（纯水），10％，30％，50％，70％和90％（体积分数）的H2O2溶液中。试验速度为100rpm，在环上滑动的陶瓷球试样的滑动直径为42mm，相应的滑动速度为0.21m/s，标称载荷为50N，计算出的最大赫兹接触压力为2.76MPa。测试时间为120分钟。收集测试后浸泡摩擦对的H2O2溶液。对不同浓度的H2O2溶液使用的陶瓷球/1Cr18Ni9Ti摩擦对的磨损碎片进行对比分析，使用滤镜和Olympus BX51光学显微镜。通过LI-3接触表面轮廓测量仪测量摩擦对的磨损表面粗糙度，磨损表面粗糙度由均方根偏差Sq表征。
结果与讨论
在摩擦磨损过程中产生磨损，磨损过程中包含大量信息，其数量、尺寸、颜色、形状、形态和结构与系统状态和磨损方式密切相关。磨损碎片分析是确定轧制对的系统特性的主要手段之一，然后分析磨损机理。磨擦对的磨损表面粗糙度如表1所示，不同浓度的H2O2的摩擦对的显微照片如表2所示。
表1 不同浓度的H2O2溶液中三种不同摩擦对的磨损表面粗糙度
表1显示，在不同浓度的H2O2溶液下，ZrO2/1Cr18Ni9Ti摩擦对上1Cr18Ni9Ti的磨损表面粗糙度大于纯水，1Cr18Ni9Ti在Al2O3/1Cr18Ni9Ti上的磨损表面粗糙度小于浇注水。对于Si3N4/1Cr18Ni9Ti，Si3N4和1Cr18Ni9Ti的最大磨损表面粗糙度为50％浓度的H2O2。
总体而言，对于不同浓度H2O2溶液下的ZrO2、Al2O3、Si3N4陶瓷球，Al2O3陶瓷球的平均磨损表面粗糙度最小，Si3N4陶瓷球的平均磨损表面粗糙度最大，这两者之间是ZrO2。此外，当相同的陶瓷球处于不同浓度的H2O2时，磨损的表面粗糙度相似。这表明相似的摩擦学性质存在于这些浓度的H2O2溶液中。
从表2可以看出，当H2O2溶液的浓度为0％（纯水）时，在ZrO2/1Cr18Ni9Ti上产生了许多明亮且不均匀的金属颗粒尺寸，在Al2O3/1Cr18Ni9Ti上产生了一些小的金属颗粒，并在Si3N4/1Cr18Ni9Ti生产了许多明亮的大块金属颗粒。原因是在非氧化环境下纯水的润滑性更差，因为1Cr18Ni9Ti表面的自然氧化膜被破坏，磨损时间延长，新露出的部分强度低于原始表面层，然后在磨损过程中形成金属粘附层，陶瓷球与1Cr18Ni9Ti之间的磨损变成金属之间的磨损。Si3N4/1Cr18Ni9Ti的粘合磨损比ZrO2/1Cr18Ni9Ti和Al2O3/1Cr18Ni9Ti复杂。
表2 不同浓度的H2O2溶液中三种不同摩擦对的磨损颗粒显微照片
当H2O2溶液的浓度为10％时， ZrO2/1Cr18Ni9Ti金属颗粒的数量很少，颗粒大，表面光亮，从Al2O3/1Cr18Ni9Ti镀镍层出现大量大块和极亮金属颗粒。这可能是由于薄膜钝化使H2O2失活，在1Cr18Ni9Ti不锈钢环表面上形成了氧化铁膜。这些胶片降低了摩擦对的凹凸之间的粘附摩擦力，使磨损效果相对降低，但磨损强度提高。Si3N4/1Cr18Ni9Ti中的金属颗粒也减少，但不像ZrO2/1Cr18Ni9Ti和Al2O3/1Cr18Ni9Ti具有较大的亮金属颗粒。这表明Si3N4/1Cr18Ni9Ti的耐磨性优于ZrO2/1Cr18Ni9Ti和Al2O3/1Cr18Ni9Ti。
当H2O2溶液浓度为30％时，在H2O2高浓度失活的作用下，较厚的钝化膜和氧化铁膜形成1Cr18Ni9Ti不锈钢表面。当较大硬度的1Cr18Ni9Ti不锈钢环和陶瓷球的表面发生磨损时，摩擦对的粘合剂磨损可以有效降低。因此，摩擦对的磨损量减少，磨粒的尺寸相应小于10％H2O2的条件。
当H2O2溶液的浓度为50％时，H2O2的钝化被进一步加强。1Cr18Ni9Ti不锈钢环表面钝化膜和氧化铁膜的厚度和密度较大。表面钝化膜的硬化效果降低了摩擦对之间的粘结摩擦，并使磨擦对的磨损损失仍然很小。磨损颗粒的数量和尺寸大致等于H2O2溶液浓度为30％时的情况。
当H2O2溶液的浓度达到70％时，在1Cr18Ni9Ti不锈钢环表面上迅速形成完整、均匀、紧凑的钝化膜和氧化铁膜。当它们处于高浓度H2O2溶液时，可以在摩擦对的表面上造成损伤，并且摩擦对的磨损损失将大大增加。金属颗粒表面呈红色，深红色或蓝色氧化态。我们可以看到部分或整个金属颗粒在显微镜下表面被高功率氧化。
当H2O2的浓度达到90％时，1Cr18Ni9Ti环表面上钝化膜的厚度和密度变大，磨损碎片的量与在70％的H2O2中相比有点变化。然而，高浓度的H2O2仍然严重腐蚀了摩擦对。铁图上的全金属颗粒显示红色或蓝色氧化态。特别是对于Si3N4/1Cr18Ni9Ti而言，在高浓度的H2O2溶液中，Si3N4陶瓷球发生摩擦氧化水解反应，发热非常迅速。此外，在高浓度H2O2溶液中，摩擦过程中温度升高，分解过程中释放出大量的热量。90％的H2O2溶液在上述综合效应下持续蒸发。最后，金属颗粒表现出强烈的氧化态，实验被迫终止。
结论
1Cr18Ni9Ti易于被使用。因此，当浸入高浓度的H2O2溶液中时，其表面上形成钝化膜。这种薄膜可以有效地减少不锈钢环和陶瓷球之间的粘合剂，然后改变摩擦对的摩擦。
（1）在不同浓度的H2O2溶液下，ZrO2/1Cr18Ni9Ti摩擦对上的1Cr18Ni9Ti磨损表面粗糙度大于纯水，Al2O3/1Cr18Ni9Ti摩擦对上1Cr18Ni9Ti的表面粗糙度小于纯水。在这种类型的摩擦对中，Al2O3的磨损表面粗糙度最小，Si3N4最大
（2）当H2O2溶液的浓度为10％时，ZrO2/1Cr18Ni9Ti和Al2O3/1Cr18Ni9Ti不锈钢摩擦对的金属颗粒具有尺寸大，表面光亮的特点。当H2O2溶液的浓度达到70％和90％时，金属颗粒的表面被全部氧化。
参考文献
[1] M.A. A k, A. U las, B. Suuml;mer , B. Yazici, C. Yildirim, L. O. Gouml;nc and F. E. Orhan: Fuel. Vol.90(2011), P. 395
[2] M. Ventura, E. Wernimont, S. Heister and S. Yuan: 43rd AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference and Exhibit. Cincinnati: AIAA, 2007-5468
[3] S.H. Li and C. H. Zhou: Tribology. Vol. 11(1991), P. 74
[4] J.H. Wang, K. L. Gu, W. Li, J.
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