鋼管陶瓷內(nèi)襯Ti3AlC2的耐磨性研究*

程逞，趙勇，田小江，汪強(qiáng)，李小龍，岳明娟

鋼管陶瓷內(nèi)襯Ti3AlC2的耐磨性研究*

程逞1，趙勇1，田小江1，汪強(qiáng)1，李小龍1，岳明娟2

（1.寶雞石油鋼管有限責(zé)任公司，陜西寶雞721008；2.西安理工大學(xué)，陜西西安710048）

研究了鋼管陶瓷內(nèi)襯Ti3AlC2的耐磨性能。試驗(yàn)結(jié)果表明：在摩擦過程中，摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使Ti3AlC2摩擦表面分解、氧化生成由Ti、Al、Fe和O組成的非晶態(tài)氧化物，這層氧化物起到了一定的潤(rùn)滑作用，在高的法向載荷或速度下，隨著氧化物生成量的增加，Ti3AlC2材料的摩擦因數(shù)減小，主要是Ti3AlC2氧化層磨損，這種磨損方式保護(hù)了Ti3AlC2基體材料，因此以Ti3AlC2作為鋼管陶瓷內(nèi)襯材料將能夠很好地保護(hù)鋼管基體，延長(zhǎng)鋼管的使用壽命。

鋼管；陶瓷內(nèi)襯；Ti3AlC2；耐磨性；摩擦因數(shù)；磨損率；氧化層

近年來，石油、化工以及礦山等行業(yè)對(duì)耐磨、耐蝕、耐高溫管道的需求量越來越大。雖然現(xiàn)在研究的高溫合金管以及高技術(shù)的陶瓷管能夠分別滿足耐高溫和耐腐蝕的需求［1］，但是同時(shí)滿足上述需求的管道材料亟需解決。文獻(xiàn)［2-3］的研究結(jié)果表明：陶瓷內(nèi)襯復(fù)合管能夠滿足上述性能的要求，并在礦山和管道運(yùn)輸上得到了應(yīng)用。文獻(xiàn)［4］研究了自蔓延高溫合成陶瓷內(nèi)襯復(fù)合鋼管的耐腐耐蝕、抗機(jī)械沖擊等性能。Ti3AlC2為Mn+1AXn三元層狀化合物中的一種，兼有金屬和陶瓷的優(yōu)良特性，如高熔點(diǎn)、高彈性模量、良好的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能、可加工性、良好的耐腐蝕性能和自潤(rùn)滑性，這些優(yōu)異的性能使Ti3AlC2材料有很廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域。文獻(xiàn)［5］研究了在45鋼和鋁表面涂覆Ti3AlC2的合成機(jī)理，文獻(xiàn)［6］研究了Ti3AlC2作為熱障涂層的性能。本文主要研究Ti3AlC2作為鋼管內(nèi)襯材料時(shí)的耐磨性能。

1 試驗(yàn)方法

在HT-1000型高溫摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行試驗(yàn)；采用的原料為自蔓延高溫合成法制備的Ti3AlC2材料［7-8］，其中Ti3AlC2的含量為97.63%，塊體的氣孔率為7.41%。試驗(yàn)采用45鋼為對(duì)磨材料，其直徑為30 mm、厚度為10 mm；Ti3AlC2塊體材料為正立方塊體，其長(zhǎng)、寬、高皆為5 mm。

試驗(yàn)的具體方法為：①在300 r/min的條件下，設(shè)定法向載荷分別為5、10、15、20 N；②在15 N的法向載荷條件下，設(shè)定速度分別為200、300、400、500、600 r/min，試驗(yàn)前將塊體材料預(yù)磨10 min，試驗(yàn)結(jié)束后對(duì)磨體要自然散熱一定時(shí)間才可以進(jìn)入下一組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)重復(fù)3次，試驗(yàn)結(jié)果取平均值。最后利用日本電子公司的JSM-6700型掃描電鏡對(duì)摩擦后塊體材料摩擦表面的物質(zhì)形貌以及化學(xué)成分進(jìn)行分析，利用XRD-7000型X射線衍射儀分析摩擦表面的相組成。

試驗(yàn)的整個(gè)過程由計(jì)算機(jī)控制，并記錄試驗(yàn)時(shí)摩擦因數(shù)的瞬時(shí)變化，取其平均值得到摩擦因數(shù)。

通過公式（1）［9］計(jì)算Ti3AlC2材料磨損率：

式中I——體積磨損率，mm3/（N·m）；

W——體積磨損量，mm3；

P——法向載荷，N；

L——總摩擦距離，mm。

2 結(jié)果與討論

（1）Ti3AlC2對(duì)45鋼的摩擦因數(shù)和磨損率與法向載荷的關(guān)系。

表1為不同法向載荷下Ti3AlC2對(duì)45鋼的摩擦因數(shù)和磨損率。由表1可以看出：摩擦載荷在增加的同時(shí)，摩擦因數(shù)減小，而磨損率增加，當(dāng)法向載荷增加到20 N，摩擦因數(shù)減小至0.18，磨損率為7.1×10-8mm3/（N·m）。文獻(xiàn)［10］的試驗(yàn)結(jié)果表明：在摩擦載荷較小時(shí)，由于摩擦表面微凸起的存在，使在摩擦過程中實(shí)際接觸的摩擦面比理論上接觸的摩擦面要小的多，進(jìn)而產(chǎn)生大的摩擦阻力；而隨著摩擦載荷的增加，摩擦表面的微凸起相互耦合，從強(qiáng)度較弱的微凸起開始被逐步破壞，導(dǎo)致在摩擦過程中實(shí)際接觸的摩擦面增加，從而使摩擦阻力逐漸減小。

圖1所示為在不同法向載荷下Ti3AlC2對(duì)45鋼摩擦表面的SEM掃描電鏡形貌。從圖1（a）可以看出：在法向載荷為10 N時(shí)，摩擦表面形成了很多淺而連續(xù)的劃痕。分析推斷認(rèn)為：這些劃痕是由于摩擦表面生成了一層物質(zhì)，這層物質(zhì)的硬度比45鋼小。從圖1（b）可以看出：在法向載荷為20 N時(shí)，摩擦表面的生成物越來越多，淺而連續(xù)的劃痕消失，生成物出現(xiàn)滑動(dòng)累積和剝落的現(xiàn)象。分析推斷認(rèn)為：這些生成物滑動(dòng)累積和剝落的現(xiàn)象則是因?yàn)檫@層生成物具有一定的流動(dòng)性和黏性，隨著法向載荷的增加而產(chǎn)生的；而摩擦表面劃痕消失是上述摩擦表面微凸起被破壞，摩擦表面增加，生成的生成物增加覆蓋所致。

表1 在不同法向載荷下Ti3AlC2對(duì)45鋼的摩擦因數(shù)和磨損率

圖1 在不同法向載荷下Ti3AlC2對(duì)45鋼摩擦表面的SEM掃描電鏡形貌

為了解摩擦表面生成物的成分，對(duì)其進(jìn)行EDS（Energy Dispersive Spectroscopy）能譜儀圖譜分析。圖2所示為圖1（b）中A點(diǎn)的EDS圖譜。從圖2可以看出：摩擦表面生成物由Ti、Al、C、O和Fe元素組成。由文獻(xiàn)［11-12］可知：摩擦過程中，由于摩擦產(chǎn)生的摩擦熱使Ti3AlC2的摩擦表面分解，與空氣中的O發(fā)生氧化反應(yīng)，生成由Ti、Al、Fe和O組成的非晶態(tài)氧化物，C元素則與空氣中的O生成氣體氧化物，F(xiàn)e元素則是在摩擦過程中從45鋼上脫落轉(zhuǎn)移到Ti3AlC2摩擦表面的。

圖2 圖1（b）中A點(diǎn)的EDS圖譜

為了進(jìn)一步了解生成的氧化物，對(duì)摩擦表面進(jìn)行XRD X射線衍射分析。摩擦表面的XRD衍射分析如圖3所示。從圖3可以看出：摩擦表面沒有出現(xiàn)Ti、Al、C、O和Fe組成氧化物的衍射峰，只有Ti3AlC2材料的衍射峰。由此可以確定，生成的氧化物薄膜是以非晶態(tài)存在的，否則會(huì)有Ti、Al和Fe氧化物的衍射峰存在。

圖3 摩擦表面的XRD衍射分析示意

（2）Ti3AlC2對(duì)45鋼的摩擦因數(shù)和磨損率與轉(zhuǎn)速的關(guān)系。

表2為在不同轉(zhuǎn)速下Ti3AlC2對(duì)45鋼的摩擦因數(shù)和磨損率。從表2可以看出：隨著摩擦速度的增加，摩擦因數(shù)減小，磨損率增加。速度與載荷對(duì)摩擦因數(shù)的影響機(jī)理相同，都是通過改變摩擦表面的接觸面積影響的，因此出現(xiàn)上述結(jié)論的原因是：在相同的滑動(dòng)路程下，隨著速度的增加，摩擦表面微凸起被破壞的速度增加，導(dǎo)致在摩擦過程中Ti3AlC2材料實(shí)際接觸的摩擦面增加，從而使產(chǎn)生的摩擦阻力逐漸減小，摩擦因數(shù)減小［13］。

在不同轉(zhuǎn)速下Ti3AlC2對(duì)45鋼摩擦表面的SEM掃描電鏡形貌如圖4所示。從圖4可以看出：轉(zhuǎn)速對(duì)摩擦表面形貌的影響與載荷摩擦表面形貌的影響趨勢(shì)相同，都是隨著轉(zhuǎn)速或載荷的增加，摩擦表面生成的氧化層增多。從圖4（b）中還可以看出：當(dāng)轉(zhuǎn)速為500 r/min時(shí)，Ti3AlC2的摩擦表面磨損比較嚴(yán)重，氧化層大量脫落，形成凹凸不平的摩擦面，主要原因是在高的轉(zhuǎn)速下氧化層的破壞速度大于氧化層的形成速度，使黏著磨損剝落的氧化層進(jìn)一步轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp，加速摩擦面的磨損。

表2 在不同轉(zhuǎn)速下Ti3AlC2對(duì)45鋼的摩擦因數(shù)和磨損率

圖4 在不同轉(zhuǎn)速下Ti3AlC2對(duì)45鋼摩擦表面的SEM掃描電鏡形貌

從上述分析可知：在摩擦過程中摩擦表面會(huì)產(chǎn)生一層氧化物，這層氧化物保護(hù)基體材料不被磨損。文獻(xiàn)［14-15］的研究指出：Ti3AlC2與生成氧化膜的界面結(jié)合強(qiáng)度大于85 MPa，并且氧化膜的存在使材料具有高溫自愈能力，形成的氧化膜在材料的裂紋和刻痕處填充。由此可推斷出：以Ti3AlC2作為鋼管陶瓷內(nèi)襯材料，能夠很好地保護(hù)鋼管基體在使用過程中不被破壞，可延長(zhǎng)鋼管使用壽命。

3 結(jié)論

（1）在摩擦過程中，產(chǎn)生的摩擦熱使Ti3AlC2摩擦表面生成由Ti、Al、Fe和O組成的非晶態(tài)氧化物，這層氧化物起到了一定的潤(rùn)滑作用，使得Ti3AlC2塊體材料的摩擦因數(shù)減小；在高的法向載荷或速度下，磨損主要是Ti3AlC2氧化層磨損，這種摩擦磨損方式保護(hù)了Ti3AlC2基體材料。

（2）Ti3AlC2材料的磨損主要是摩擦表面氧化層的磨損，若以Ti3AlC2材料作為鋼管陶瓷內(nèi)襯材料，將能夠很好地保護(hù)鋼管基體在使用過程不被破壞。

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●簡(jiǎn)訊

衡陽華菱鋼管有限公司成功試軋150 mm×150 mm規(guī)格方管［發(fā)布日期：2016-09-20］2016年9月15日，衡陽華菱鋼管有限公司（簡(jiǎn)稱華菱衡鋼）Φ340 mm連軋管機(jī)組成功試軋出3支150 mm×150 mm×10 mm規(guī)格方管，該方管為SJ3550H材質(zhì)。為了滿足用戶要求（方管R角≤30°，直角±1°），華菱衡鋼重新修改定徑機(jī)架孔型，合理分配圓管機(jī)架過渡到方管機(jī)架的速度及減徑率；在生產(chǎn)過程中，為了防止鋼管常化出麻面，合理計(jì)算步進(jìn)爐加熱時(shí)間，使荒管輸送符合定徑機(jī)的要求，同時(shí)確保方管終軋溫度滿足工藝要求。

（摘自：衡陽華菱鋼管有限公司網(wǎng)站）

番禺珠江鋼管（珠海）有限公司新產(chǎn)品6.5 m超大直徑鋼管將應(yīng)用于大型船舶制造［發(fā)布日期：2016-08-22］近日，番禺珠江鋼管（珠海）有限公司成功生產(chǎn)出6 500 mm超大管徑的三輥成型直縫焊管，將應(yīng)用于大型船舶制造。

（摘自：珠江鋼管網(wǎng)站）

寶鋼集團(tuán)超級(jí)13Cr特殊螺紋油井管打入中東市場(chǎng)［發(fā)布日期：2016-08-19］近日，由寶鋼集團(tuán)自主研發(fā)的超級(jí)13Cr特殊螺紋油井管產(chǎn)品BG13Cr-95S BGT獲得中東市場(chǎng)首單，首次采購(gòu)量達(dá)1 300 t。

（摘自：寶鋼集團(tuán)網(wǎng)站）

Study on Wear-resistance of Ti3AlC2Ceramic Lining Materialfor Steel Tube

CHENG Cheng1，ZHAO Yong1，TIAN Xiaojiang1，WANG Qiang1，LI Xiaolong1，YUE Mingjuan2
（1.Baoji Petroleum Steel Pipe Co.，Ltd.，Baoji 721008，China；2.Xi’an University of Technology，Xi’an 710048，China）

Studied is the wear-resistance performance of Ti3AlC2ceramic lining material for steel tube.The experiment result shows that the heat resulting from friction will lead to the decomposition and oxidization of the friction surface of Ti3AlC2material and thus generate an amorphous oxide consisting of Ti，Al，F(xiàn)e and O，which will in a sense play a role of lubricating.Under high normal load or speed，the friction coefficient of Ti3AlC2material decreases with the increasing of the amount of oxide.The majority of wear happens on the oxide layer of the friction surface，which will protect the Ti3AlC2base material.Therefore the use of Ti3AlC2material as ceramic lining for steel tube will be able to protect the base material of steel tube and prolong its service life.

steel tube；ceramic lining；Ti3AlC2；wear-resistance；friction coefficient；wear rate；oxide layer

TG113.23+1

B

1001-2311（2016）05-0020-04

2016-04-12；修定日期：2016-05-09）

*國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA031303）

程逞（1988-），女，碩士，助理工程師，主要從事復(fù)合管材性能及新產(chǎn)品的研究工作。