Page 25 - 摩擦学学报2025年第10期

1422 摩擦学学报（中英文） 第 45 卷

表 2 恒温氧化和循环氧化速率 而在循环氧化过程中，CaCO 优先在基体处生
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Table 2 Isothermal and cyclic oxidation rate
成，而碳化物上未明显观察到CaCO ，如图5(f)所示.
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Oxidation rate/[g/(m ·h)] 这是因为碳化物和Fe基体的热导率不同导致的. Fe基
Method Temperature/℃
1 2 3 Average
体的热导率[大约60 W/(m·K)]高于碳化物的热导率
Isothermal
600 0.072 1 0.060 6 0.061 5 0.064 8
oxidation [22~40 W/(m·K)]，冷却过程中Fe基体的温度低于碳化
Cyclic
600 1.762 3 1.605 8 1.581 5 1.649 9 物的温度，使CaCO 的晶核优先在基体上生成. 随着
oxidation 3
氧化的进行，CaCO 数量增多且逐渐增大，并将样品
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2.3 氧化产物分析 表面覆盖，如图5(g~j)所示. 当循环氧化次数达到
2.3.1 氧化表面分析 120次时，可以在表面观察到白色交织网状结构的
图4所示为恒温氧化不同时间和循环氧化不同次 Fe O ，如图6(d)所示，这些白色网状的Fe O 较为疏
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数后样品表面的XRD结果. 可以看出，氧化产物以 松，致使氧化层的致密性降低，使氧化层的保护作用
Fe的氧化物为主，主要为Fe O 和Fe O . 在恒温氧化 降低. 同时，在循环氧化过程中，经过加热和冷却过
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程，热应力差值较大，导致氧化层与基体更容易产生
过程中出现了V的氧化物V O ，这是因为该高速钢中富V
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的VC含量较高，并且VC极易氧化. 而循环氧化因为冷 裂纹和裂缝，如图6(d)所示.
却水采用的是自来水，水中含有大量的钙离子(钙离 2.3.2 氧化截面分析
子的离子浓度为78.4 ppm)，导致产物中出现了碳酸 为了进一步研究恒温氧化和循环氧化后表面氧
钙，但是并没有观察到V的氧化物V O . 在氧化初期 化层的形成发展规律，分析表征了氧化层横截面的显
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(恒温氧化5 h、循环氧化60次之前)，主峰以Fe基固溶 微组织，结果如图7和图8所示. 可以看出，随着恒温氧
体为主；在氧化10 h或循环120次后主峰变为Fe O . 化时间的延长和循环氧化次数的增加，氧化层厚度升
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恒温氧化和循环氧化后样品表面的显微组织如 高，并且相同的加热时间下(恒温5 h和循环60次及恒
图5和图6所示. 在恒温氧化过程中，VC和基体同时开 温10 h和循环120次)，循环氧化层厚度略高于恒温氧
始氧化[图5(a)和图6(a)]，而Cr C 和Mo C氧化不明显 化层. 循环氧化过程中，从第12次循环开始，氧化层表
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[图6(b)，黄色曲线内]. VC的氧化物V O 呈团簇的棱 面开始出现裂纹，如图7(b)所示. 当循环次数达到120次
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柱状结晶花瓣形貌，如图6(a)所示，其氧化程度明显大 后，能明显观察到裂纹深入基体内部，如图7(f)所示.
于基体. 随着氧化的进行，整个基体表面被薄片状的 同时将恒温氧化5 h和循环氧化60次后的样品进行
Fe氧化物Fe O 所覆盖，如图5(b~e)所示. 这些薄片状 EDS mapping分析，如图8所示. 结果表明：在裂纹处，Fe
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的Fe O 主要覆盖于基体上，而碳化物上的Fe O 较少 元素含量降低，同时Mo、Cr和V元素含量较高，表明
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且未生长成薄片状，如图6(b)所示. 这归因于碳化物本 裂纹优先在碳化物处生成，这是由于碳化物本身塑性较
身Fe含量较少，氧化过程中碳化物上的Fe氧化物是由 低，无法释放随温度而增加的热应力，从而产生裂纹.
基体上的Fe氧化物蔓延并覆盖在碳化物上. 而Cr C 和 同时能明显观察到O元素向样品内部扩散，这也说明在
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Mo C较为稳定，氧化程度较低. 高速钢氧化过程中氧化动力学符合抛物线规律，并且氧
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(a) ♣-Fe ³-M x C y ♥-Fe 2 O 3 (b) ♣-Fe ♥-Fe 2 O 3 ♠-Fe 3 O 4
♠-Fe 3 O 4 -V 2 O 5 ³-M x C y -CaCO 3 120 cycles
Δ
10.0 h
60 cycles
5.0 h
Intensity/a.u. 2.0 h Intensity/a.u. 24 cycles
40 cycles
12 cycles
1.0 h
6 cycles
0.5 h 1 cycle
20 30 40 50 60 70 80 90 20 30 40 50 60 70 80 90
2θ/(°) 2θ/(°)
Fig. 4 XRD spectra of oxidized surfaces: (a) isothermal oxidation; (b) cyclic oxidation
图 4 氧化表面XRD谱图：(a) 恒温氧化；(b) 循环氧化