双辉等离子表面Ni-Cr合金渗层的组织及耐蚀性能研究

双辉等离子表面Ni-Cr合金渗层的组织及耐蚀性能研究黄俊;吴红艳;毕强;张平则;姜云东【摘要】采用双层辉光等离子表面冶金技术在Q235钢表面制备Ni-Cr合金渗层,对合金渗层的组织特征、成分和耐蚀性能进行了研究.结果表明:Ni-Cr合金渗层与基体呈现良好的冶金结合状态;渗层中Ni,Cr元素含量由表及里逐渐减少,厚度约为30μm,渗层主要物相为Ni2.9Cr0.7Fe0.36.电化学极化试验表明经Ni-Cr共渗处理后试样的耐蚀性明显优于基材,且Ni-Cr合金渗层的保护效率高达99.7468%,而孔隙率仅有0.2%.【期刊名称】《材料工程》【年(卷),期】2010(000)011【总页数】4页(P79-82)【关键词】双层辉光等离子冶金技术;Ni-Cr合金渗层;Q235钢;极化曲线;耐蚀性【作者】黄俊;吴红艳;毕强;张平则;姜云东【作者单位】南京航空航天大学,材料科学与技术学院,南京,211100;南京信息工程大学,数理学院,南京,210044;南京航空航天大学,材料科学与技术学院,南京,211100;南京航空航天大学,材料科学与技术学院,南京,211100;南京航空航天大学,材料科学与技术学院,南京,211100【正文语种】中文【中图分类】TG174.445在工业生产中,钢铁零部件的失效多数起源与表面磨损与腐蚀破坏。

钢铁的腐蚀不仅造成经济上的损失而且不利于自然资源和能源的保护,有些情况下钢铁的腐蚀还危及人身安全[1-3]。

在金属表面形成保护性覆盖层能够有效地改善碳钢耐蚀性能。

双层辉光等离子表面冶金技术是一种新型的表面冶金技术,它可以在普通材料表面形成具有特殊物理、化学性质的表面合金层[4-7]。

Q235钢是铁道道钉、油气管道、输电系统、桥梁等户外结构的主要原料,这类零部件的腐蚀情况常常很严重[8-13]。

本工作采用双层辉光等离子表面冶金技术对Q235钢进行等离子表面Ni2Cr共渗处理,并研究其合金渗层的微观组织和耐蚀性能。

试样为Q235钢,尺寸为15mm×15mm。

源极材料为Ni80Cr20板。

双辉等离子Ni2Cr共渗工艺:极限真空度5×10-3Pa;工作气体为A r(99.99%);工作气压50Pa;阴极电压250～330V;阴极电流2A;源极电压950V;源极电流2A;工作温度:950℃;工作时间3h;试样与靶材的距离为15mm。

运用扫描电子显微镜(SEM,Quanta200,FEI Company)观察合金渗层截面的显微组织,对合金渗层合金元素进行能谱分析(EDS,XM S60S),并利用X射线衍射仪(XRD,BurkerD82ADVANCE)检测合金渗层的物相组成。

采用CH I660C型电化学工作站测量Ni2Cr合金渗层在3.5%NaCl溶液中的动电位极化曲线,并和基材Q235相对比。

电解池采用三电极体系,工作电极为Ni2Cr合金渗层,测试的有效面积为1cm2;参比电极选用饱和甘汞电极,辅助电极为铂电极;电位扫描范围为-0.8～1.6V,扫描速度为0.002V/s。

Q235表面Ni2Cr合金渗层截面的SEM形貌图如图1所示。

从图1中可以看到在Ni2Cr合金渗层与基体的界面结合处两侧的组织是两种不同的结构,图中区域Ⅰ为Ni2Cr合金渗层,区域Ⅱ为基体组织,由图1可知合金渗层及其与基体的界面结合处的组织致密,没有明显的空洞等缺陷。

图2为Ni2Cr合金渗层截面的EDS线扫描能谱图。

由图可知,在距离试样表面0～20μm的区域为Ni2Cr沉积层,该区域合金元素主要有Ni和Cr组成, Fe元素含量极少;距离表面20～30μm的区域为Ni2 Cr扩散层,该区域中Ni,Cr元素含量随深度的增加而逐渐减少,Fe元素含量则逐渐增加;距离表面30μm以后的区域则为基体。

本工作中所指的Ni2Cr合金渗层是由Ni2Cr沉积层和扩散层构成,其厚度约为30μm,沉积层的作用主要是改善基材Q235的耐蚀性,而扩散层则是改善沉积层和基体之间的结合状况,同时具备一定的耐蚀性。

根据双辉等离子表面渗金属的原理,由阴极辉光放电产生的离子将轰击试样表面,加热试样的同时将在试样表面产生很高的空位浓度,在空位浓度的驱使下,空位向基体内部扩散,从而形成一空位浓度梯度层,而该空位浓度梯度层为合金元素向基体内部扩散提供了一个快速通道[14,15]。

同时,由于试样处于高温状态下,基体元素同样会向沉积层中扩散。

因此实验过程中,在沉积层和基体界面处发生Ni,Cr和Fe元素的互扩散现象,从而在沉积层与基体的界面处形成合金元素成分呈梯度分布的扩散层,而这种由合金元素互扩散形成的扩散层组织结构有利于增强沉积层和基体之间的界面结合强度,改善沉积层的结合力[16]。

采用X射线衍射分析方法对Ni2Cr合金渗层进行物相组成分析。

图3是Ni2Cr合金渗层的X射线衍射图谱结果。

从试样的X射线衍射图谱中看出基材Q235的主要物相是Fe,而Ni2Cr合金渗层的主要物相成分为奥氏体相Ni2.9Cr0.7Fe0.36。

分析图3可知,Ni2Cr合金渗层的XRD衍射峰在2θ为44.111°,511373°,75.605°,91.946°,97.313°处附近出现,分别对应奥氏体相Ni2.9Cr0.7Fe0.36的(111),(200),(220), (311),(222)晶面,其中(111)晶面的衍射峰最强。

表明合金渗层为单晶相结构,且具有明显的择优取向。

腐蚀试验采用动电位法测试Ni2Cr合金渗层与基体在NaCl溶液中的极化曲线。

图4为Ni2Cr合金渗层和基材Q235在3.5%NaCl溶液中的极化曲线。

从图4可以看出,Ni2Cr合金渗层的极化曲线具有明显的钝化区间,且合金渗层的腐蚀电位与基材Q235相比发生正移。

这表明,利用双辉表面冶金技术在Q235表面形成的Ni2Cr合金渗层,阻碍了NaCl溶液中Cl-扩散到达基材Q235表面,从而无法形成电偶腐蚀,使得Ni2Cr合金渗层的腐蚀电位相比基材Q235发生正移,提高了Q235的抗腐蚀性能。

在电化学腐蚀试验中,涂层的保护效率(PE)和孔隙率(P)常用来评价涂层对基材的腐蚀防护性能,它们可以分别用如下的公式表示:式(1)和(2)中的Rpol(uncoated)和Rpol(coated)分别为基材Q235和Ni2Cr合金渗层的极化电阻。

ΔEcorr是基材和合金渗层的腐蚀电位差,而βa为基材的阳极塔菲尔斜率。

表1给出3.5%NaCl溶液中Ni2Cr合金渗层和基材Q235的电化学试验数据结果。

在相同的条件下,材料的腐蚀电位越高,腐蚀电流密度越小,极化电阻越大,说明该材料的耐蚀性能越好。

从表1数据可见, Ni2Cr合金渗层的腐蚀电位为-0.329V,腐蚀电流密度为4.048×10-8A/cm2,极化电阻则为1.0085× 106Ω/cm2,均明显的优于基材Q235。

根据公式(1)和(2)计算可得Ni2Cr合金渗层的保护效率高达9917468%,而孔隙率仅有0.2%。

Ni2Cr合金渗层高保护效率和低孔隙率,表明覆盖在基材Q235表面的Ni2Cr合金渗层致密且几乎没有洞穿合金渗层的微孔,这种致密的合金渗层结构使得NaCl溶液中Cl-很难通过合金渗层中存在的一些小微孔和其他缺陷渗入到达基体,从而导致其腐蚀电位正移、腐蚀电流密度很小且极化电阻很大。

由以上分析可知,基材Q235经过双辉等离子表面Ni2Cr共渗处理后,其耐蚀性能得到明显的改善。

(1)利用双辉等离子表面冶金技术制备的Ni2Cr合金渗层致密,且与基体呈现良好的冶金结合状态。

合金渗层中Ni,Cr元素含量由表及里逐渐减少。

渗层厚度约为30μm。

(2)XRD衍射图谱分析表明Ni2Cr合金渗层的主要物相是奥氏体钢相Ni2.9Cr0.7Fe0.36。

(3)Q235经双辉等离子表面Ni2Cr共渗处理后,耐蚀性得到明显的改善。

与基材Q 235相比,Ni2Cr合金渗层具有更高的腐蚀电位和极化电阻,以及更低的腐蚀电流密度,且Ni2Cr合金渗层的保护效率高达99.7468%,而孔隙率仅有0.2%。

【相关文献】[1] 翁永基.材料腐蚀通论[M].北京:石油工业出版社,2004.1-8.[2] 姜晓霞,李诗卓,李曙.金属的腐蚀磨损[M].北京:化学工业出版社,2003.1-23.[3] ZHANG Ling,JIN Yong,PENG Bo,et al.Effects of annealing temperature on the crystal structure and p roperties of electroless deposited Ni2W2Cr2P alloy coatings[J].Applied Surface Science, 2008,255(5):1686-1691.[4] 徐重.等离子表面冶金技术的现状与发展[J].中国工程科学, 2002,2(4):36-41.[5] XU Zhong.A novel plasma surface metallurgy:Xu2Tec p rocess [J].Surface and Coatings Technology,1990,44:1065-1073.[6] XU Zhong,COLUMBIA SC.Methods and apparatus for introdu2 cing no rmally solid materials into substrate surfaces[P].USA Patent:4,520,268,1985.[7] XU Zhong,COLUMBIA SC.Methods and apparatus for introdu2 cing no rmally solid materials into substrate surfaces[P].USA Patent:4,731,539,1988.[8] 张宝宏,丛文博,杨萍.金属电化学腐蚀与防护[M].北京:化学工业出版社,2005.1.[9] 曹楚南.中国材料的自然环境腐蚀[M].北京:化学工业出版社,2005.90-105.[10] 熊家锦,吴荣贵,钱兆庆.高强度结构钢的大气应力腐蚀试验[J].材料工程,1993,(1):24-27.[11] 王文和,沈士明,於孝春.近中性土壤中20#钢管道材料腐蚀行为与机理的研究[J].材料工程,2009,(6):5-9.[12] 于萍,王蕾蕾,邢文国,等.钢基表面热镀Zn2Mg合金镀层化学组成与电化学腐蚀行为的研究[J].材料工程,2008,(3):63-66.[13] 王磊,高彩茹,王彦锋,等.我国桥梁钢的发展历程及展望[J].机械工程材料,2008,32(5):1-3.[14] 徐重.等离子表面冶金学[M].北京:科学出版社,2008.24-27.[15] W EIRonghua.Plasma surface engineering research and itsp rac2 tical applications[M].India:Research Signpost,2008.355-379.[16] ZHANG H,L ID Y.Effectsof sputtering condition on tribolog2 ical p roperties of tungsten coatings[J].Wear,2003,255(7-12):924-932.。