Dry Wear and Tribocorrosion Performanceof Different Stainless Steels

Abstract

In many industrial applications the requirements of materials are often a mix of different properties. Properties such as high strength, good corrosion resistance and good wear sought after, but an enhancement in one of the properties is often done at the sacrifice ofother. Good corrosion resistance and excellent wear property in stainless steels is hard to combine due to enhanced removal of material as a result of tribocorrosion. Degradation of material due to tribocorrosion is a result of the simultaneous action of wear and corrosion.During tribocorrosion the degradation is greater than the sum of the individual components due to a continuous removal and buildup of the stainless steels passive film.

During this work five different alloys were tested, SAF 2205, SAF 2507, Datalloy2, 165M (DIN1.4418) and 316L, in dry wear and wear in 3.5% NaCl. Most attention directed towards Datalloy2 and 165M (DIN 1.4418) as little or no tribocorrosion information is found in the literature for these alloys. During the work, wear tests were conducted at open circuitpotential, cathodic potential and passive potentials, and the effects on wear and electrochemical properties were investigated. From these tests the friction coefficient,current and potential during rubbing were linked to the wear properties and subsurface microstructure.

During dry wear the alloys showed different behavior with respect to friction coefficient and volume loss. The different alloying constituents and phases greatly affected the dry wear properties with the austenitic Datalloy2 showing the lowest volume loss and 165M havingthe highest volume loss. At open circuit potential and cathodic potential the difference involume loss between the alloys was less pronounced with 165M showing the lowest volumeloss. As a passive potential was applied during rubbing the difference between the alloys wasgreat. Datalloy2 showed superior wear properties compared to 165M at both high passive potential and low passive potential, with lower current, coefficient of friction and volumeloss. The chemical volume loss due to passive film build up and active dissolution duringwear was calculated for Datalloy2, 316L and 165M after rubbing at 0mv and -80mV passive potentials. All alloys showed chemical volume losses in the range of 40-46% of the total volume loss.

Subsurface deformation and structural change was shown to be dependent on the applied potential for Datalloy2, 165M and 316L. For 316L the subsurface deformation increased with increase in potential as previously described by [1]. The subsurface deformation of Datalloy2 did not increase in depth with applied potential as it did for 316L. This tendency was also exhibited by the martenisitic 165M alloy.

I mange industirelle anvendelser er kravene til materialer ofte en balnding av forskjellige engenskaper. Egenskaper som høy styrke, god korrosjonsbestandiget og god slitasjemotstand ettertraktet, men en forbeding av en egenskap går ofte på bekostning av andre. For eksempel vil god korrosjonsbestandighet og utmerket slitasjemotstand i rustfriestål være vanskelig å kombinere grunnet økt degradering på grunn av tribokorrosjon.Tribokorrosjon oppstår når et passivt materiale slites i et korrosivt miljø og en fortløpende oppbygning og ned brytning av den beskyttende oksidfilmen. Det total materialtapet vil i de fleste tilfeller da være større enn summen av hver degraderings mekanisme.

I dette arbeidet har fem forskjellige rustfrie stållegeringer SAF 2205, SAF 2507, Datalloy 2,165M (EN 1.4418) og 316L, blitt tests i tørr slitasje og slitasje i 3.5% NaCl. Mest arbeid er rettet mot Datalloy2 og 165M siden det eksistere lite eller ingen informasjon om tribokorrosjonsegenskapene i litteraturen. Legerinegene ble testet for slitasje underegenkorrosjon, påført katodisk og passivt potensiale og sammheng mellom slitasje og elektrokjemiske egneskaper ble undersøkt. Fra testene ble det målt friksjonskoeffisient, strøm og potensiale simultant med slitasje. Data fra testene ble koplet opp mot forandring i mikrostruktur og slitasjeegenskaper.

Ved tørr slitasje viste legeringene ulik adferd med hensyn på friksjonskoeffisient og slitasjevolum. De ulike legeringselementene og fasene påvirker slitasjeegenskapene, med Datalloy2 som viste minst materialtap og 165M som viste det høysete materialtapet. Etter slitasje ved egenkorrosjon og ved katodisk potensiale var det liten forskjell mellom legeringene, med 165M som hadde det laveste volumtapet. Ved påtrykt passiv potentsiale var forskjellene i volumtap store mellom legeringene. Datalloy2 var overlegent med tanke på volumtap ved både lav og høyt passivt potensiale sammenliknet med 165M. Kjemisk volumtap som følge av oppbygnign av passiv film og aktiv oppløsning under slitasje ble regnet ut på grunnlag av målt strøm under slitasje ved 0 mV og -80 mV passiv potensiale. Alle legerinene viste et kjemisk volumtap på 40-46% av det totale volumtapet etter tribokorrosjon.

Deformasjon og strukturell endring under overfalten viste seg å være avhengig av påtrykt potensiale of Datalloy2, 165M og 316L. 316L viste deformasjon som økte i dybden ved økning av potensiale. Dette var i henhold til [1]. Deformasjon under overflaten for Datalloy2 etter tribocorrosjon viste seg å minske i dybden ved økning i potensiale. Den samme tendensen ble observert i 165M etter slitasje.