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304不锈钢涂层的组织与耐磨耐腐蚀性能 

发布时间:2021-05-25

在(zai)镁合(he)金(jin)基体(ti)(ti)上冷(leng)喷涂(tu)(tu)(CGDS)纯(chun)金(jin)属铝、铁、锌涂(tu)(tu)层(ceng)或(huo)2681高温(wen)铝合(he)金(jin)涂(tu)(tu)层(ceng)可(ke)以有(you)效(xiao)地改善基体(ti)(ti)的(de)耐磨耐蚀(shi)性能,冷(leng)喷涂(tu)(tu)的(de)纳米WC-Co涂(tu)(tu)层(ceng)可(ke)以代(dai)替传(chuan)统的(de)耐磨抗腐蚀(shi)硬铬镀(du)层(ceng)。相对(dui)于热(re)喷涂(tu)(tu)而(er)言,冷(leng)喷涂(tu)(tu)由于喷涂(tu)(tu)温(wen)度(du)低,避免了涂(tu)(tu)层(ceng)的(de)氧(yang)化、晶粒的(de)生长和相变的(de)发生;同时无热(re)影响(xiang)区,对(dui)涂(tu)(tu)层(ceng)和基体(ti)(ti)的(de)热(re)影响(xiang)。因此,冷(leng)喷涂(tu)(tu)在(zai)制备耐磨耐蚀(shi)涂(tu)(tu)层(ceng)方面有(you)着广阔的(de)应用前景。

    不锈钢是一种常用的耐蚀材料,在碳钢表面制备的不锈钢涂层具有高硬度、高耐磨性、优良的耐蚀性等优点,在实际生产应用中具有重要的意义。目前,在碳钢表面制备不锈钢涂层的报道较少,且采用的制备工艺主要是热喷涂,其中激光熔覆和高速电弧喷涂尽管能够实现涂层和基体的冶金结合,消除一些有害相同时成本低、喷(pen)涂效率高(gao)、操作方便、适(shi)应(ying)性高(gao).但由于制备温度高(gao).存在(zai)(zai)热影响区和氧化明显、易导致晶(jing)粒(li)生(sheng)长和发生(sheng)相(xiang)(xiang)变,大(da)大(da)限制了其(qi)广泛应(ying)用。相(xiang)(xiang)比(bi)之下(xia),冷(leng)喷(pen)涂则(ze)可以消除上述诸多(duo)缺点,在(zai)(zai)制备不锈钢耐蚀涂层方面具有明显的优势。为此(ci),本工作采用冷(leng)喷(pen)涂技术在(zai)(zai)IF钢表面制备了304不锈钢涂层,并研究(jiu)了其(qi)组织特征及耐磨、耐蚀性能(neng)。

1试验

1.1涂层(ceng)的(de)制备

   基(ji)材为IF钢板,厚(hou)度为4 mm。涂(tu)层材料为304不锈钢粉(fen)末(mo),平均粒(li)径25 um,其(qi)拉度分布见(jian)图(tu)1。

    采用德国CGT3000冷(leng)气(qi)动(dong)力喷涂(tu)系统(tong)制备(bei)冷(leng)喷涂(tu)层(ceng),喷涂(tu)温度(du)550℃,喷涂(tu)压力3.0 MPa,喷涂(tu)距离(li)为25mm,送粉率为1.0 L/min。

1.2涂层(ceng)的组织(zhi)与性能表征(zheng)

    将(jiang)304不锈钢涂层用SiC砂纸打磨至1 500号后(hou)抛光、腐(fu)蚀,用MEF-3金相(xiang)显微镜(jing)和JSM -5600LV型扫描电镜(jing)(SEM)观察其组织形貌。

    采用CS300电(dian)(dian)(dian)化学工作(zuo)站对涂层及基体的耐蚀性进(jin)行(xing)检测。腐(fu)蚀溶液为(wei)(wei)3.5%(质量(liang)(liang)分(fen)(fen)数)NaCI溶液,用去离子水与分(fen)(fen)析纯NaCI配制。电(dian)(dian)(dian)化学腐(fu)蚀试验采用三(san)电(dian)(dian)(dian)极(ji)体系,饱和甘汞电(dian)(dian)(dian)极(ji)为(wei)(wei)参(can)比(bi)电(dian)(dian)(dian)极(ji),通过动电(dian)(dian)(dian)位扫(sao)(sao)(sao)描进(jin)行(xing)极(ji)化曲线测量(liang)(liang)。扫(sao)(sao)(sao)描速率为(wei)(wei)1.0 mV/s,环境温度分(fen)(fen)别(bie)为(wei)(wei)25℃和45℃。利(li)用JSM -56001.V型(xing)扫(sao)(sao)(sao)描电(dian)(dian)(dian)镜观察涂层电(dian)(dian)(dian)化学腐(fu)蚀后组织形(xing)貌,用XRD-6000 X射线衍射仪进(jin)行(xing)涂层的物相分(fen)(fen)析。

    采用(yong)UTM -2摩(mo)擦(ca)磨损(sun)试(shi)验机分别对涂层及(ji)基体的耐(nai)房性能(neng)进行(xing)试(shi)验。耐(nai)靡性试(shi)验载荷10 N,单向行(xing)程5 mm,摩(mo)擦(ca)时间30 min,环境温度20℃。对磨偶件为5 mm的GCr15钢球,采用(yong)干摩(mo)擦(ca)磨损(sun)试(shi)验,无润滑状态。利用(yong)扫(sao)描电(dian)镜(jing)观察冷喷(pen)涂涂层摩(mo)擦(ca)磨损(sun)后的组(zu)织形貌(mao)。

2结果与(yu)讨论(lun)

2.1涂层组织形貌与相结构(gou)

    图2为304不锈钢涂(tu)层(ceng)的截面SEM形(xing)貌。由(you)图2可知,涂(tu)层(ceng)致密,孔隙率低,厚度比(bi)较均匀,平均厚度为145 um。

    图3分别为304不锈钢粉末、冷喷涂304不锈钢涂层及其电化学腐蚀(腐蚀温度为25℃)后的XRD谱。比较图3a和图3b可知,冷喷涂过程中无氧化、相变发生,但发生了晶格畸变和晶粒细化。比较图3b和图3c可知,304不锈钢涂层电化学腐蚀后的产物为奥氏体和铁素体,无新的腐蚀产物出现。

2.2涂(tu)层的电化学腐蚀性能

    图4为基(ji)(ji)体(ti)和304不(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)(ceng)在25℃和45℃时(shi)(shi)的(de)(de)电(dian)(dian)化(hua)学极(ji)化(hua)曲线(xian)。对其(qi)进行拟合得(de)到(dao)相应的(de)(de)自腐(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)位、腐(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)流密度和腐(fu)(fu)蚀(shi)(shi)速率见表1。结果显(xian)示:冷喷(pen)涂304不(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)(ceng)的(de)(de)自腐(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)位高于(yu)基(ji)(ji)体(ti),腐(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)流密度和腐(fu)(fu)蚀(shi)(shi)速率均小于(yu)基(ji)(ji)体(ti),说明其(qi)耐蚀(shi)(shi)性优于(yu)基(ji)(ji)体(ti),有效(xiao)地改(gai)善了IF钢(gang)(gang)的(de)(de)耐蚀(shi)(shi)性。由图4b可知,基(ji)(ji)体(ti)的(de)(de)腐(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)流密度开(kai)始时(shi)(shi)低于(yu)304不(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)(ceng)的(de)(de),但(dan)随着腐(fu)(fu)蚀(shi)(shi)时(shi)(shi)间(jian)的(de)(de)增加,其(qi)值远(yuan)远(yuan)高于(yu)304不(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)(ceng)的(de)(de),这是(shi)304不(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)(ceng)发(fa)生(sheng)了钝化(hua)而基(ji)(ji)体(ti)发(fa)生(sheng)了活(huo)性溶解所致(zhi)。

    304不(bu)(bu)锈(xiu)(xiu)钢涂层(ceng)在电化学(xue)腐蚀(shi)过程中,发生了明显(xian)的(de)(de)(de)钝化,45℃时(shi)(shi)的(de)(de)(de)腐蚀(shi)电流密度(du)(du)始终高(gao)(gao)于25℃时(shi)(shi)(见图4b),而且其腐蚀(shi)速率也明显(xian)高(gao)(gao)于25℃时(shi)(shi)(见表1),说明304不(bu)(bu)锈(xiu)(xiu)钢涂层(ceng)的(de)(de)(de)耐(nai)蚀(shi)性随着温度(du)(du)的(de)(de)(de)升高(gao)(gao)而降(jiang)低。采用HOVE技术制备的(de)(de)(de)不(bu)(bu)锈(xiu)(xiu)钢涂层(ceng)的(de)(de)(de)自腐蚀(shi)电位为-0.4 V左右(you),低于本试验中测得的(de)(de)(de)-0.315 V和-0.228 V,说明冷喷(pen)涂技术制备的(de)(de)(de)不(bu)(bu)锈(xiu)(xiu)钢涂层(ceng)的(de)(de)(de)耐(nai)蚀(shi)性优于HOVF制备的(de)(de)(de)同(tong)类(lei)涂层(ceng)。

2.3基体(ti)及(ji)涂(tu)层的(de)腐蚀形貌

    图(tu)5为25℃时,基体(ti)和304不锈钢(gang)(gang)涂(tu)层的(de)(de)腐蚀(shi)(shi)形(xing)(xing)貌(mao)。由图(tu)5可见(jian),基体(ti)腐蚀(shi)(shi)均匀(yun)且(qie)严重(zhong),而(er)涂(tu)层表面(mian)光滑,只有少(shao)量小(xiao)的(de)(de)腐蚀(shi)(shi)坑存在(zai)。304不锈钢(gang)(gang)在(zai)含Cl-溶(rong)(rong)液(ye)中容易发(fa)(fa)生点(dian)蚀(shi)(shi),涂(tu)层在(zai)电化学腐蚀(shi)(shi)过(guo)程中发(fa)(fa)生了明显的(de)(de)钝化现象(见(jian)图(tu)4)。因此,在(zai)钝化膜的(de)(de)破裂处,溶(rong)(rong)液(ye)中活度(du)大(da)、半径小(xiao)的(de)(de)Cl-容易侵人(ren).使(shi)得304不锈钢(gang)(gang)涂(tu)层发(fa)(fa)生点(dian)蚀(shi)(shi);或是由于粒子形(xing)(xing)成(cheng)涂(tu)层时发(fa)(fa)生了很大(da)的(de)(de)塑性(xing)变形(xing)(xing),使(shi)得在(zai)涂(tu)层内(nei)出(chu)现密度(du)很高的(de)(de)位错,Cl-容易侵人(ren)发(fa)(fa)生点(dian)蚀(shi)(shi)。冷喷涂(tu)涂(tu)层是粒子之间(jian)经过(guo)碰(peng)撞发(fa)(fa)生塑性(xing)变形(xing)(xing)而(er)机(ji)械结合(he)形(xing)(xing)成(cheng)的(de)(de),发(fa)(fa)生点(dian)蚀(shi)(shi)后粒子之间(jian)的(de)(de)结合(he)力减小(xiao)发(fa)(fa)生脱落,于是形(xing)(xing)成(cheng)了图(tu)5的(de)(de)小(xiao)腐蚀(shi)(shi)坑。

2.4基体和涂层的耐摩(mo)擦(ca)学性能

    测试结(jie)果(guo)显(xian)示(shi),基体(ti)和304不(bu)锈钢涂层的(de)磨擦(ca)系(xi)数分别为0.5489和0.1625,由此可知:在相同的(de)条件下,304不(bu)锈钢涂层材料(liao)的(de)耐磨性(xing)远(yuan)好于基体(ti)。

    基体(ti)和涂(tu)层摩擦磨(mo)损后的形貌见图(tu)6。由图(tu)6可见:基体(ti)的磨(mo)痕整(zheng)齐(qi)(qi),比(bi)较均匀(yun),宽度为420-450 um;涂(tu)层材料由于表面的不平整(zheng)性,所以(yi)表面没有(you)形成整(zheng)齐(qi)(qi)的磨(mo)痕,而是磨(mo)掉了(le)其突出的部分,宽度为200-260um,磨(mo)(mo)损(sun)(sun)量明(ming)显(xian)小于基体(ti)的。基体(ti)和304不(bu)锈钢(gang)(gang)涂层的磨(mo)(mo)损(sun)(sun)失效形式都(dou)是磨(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)损(sun)(sun)机制,基体(ti)材料中有较大的犁沟出(chu)现而(er)涂层中没有出(chu)现,这(zhei)也证实了304不(bu)锈钢(gang)(gang)涂层的耐磨(mo)(mo)性(xing)好于基体(ti)。除此之外,摩擦(ca)磨(mo)(mo)损(sun)(sun)后(hou)的304不(bu)锈钢(gang)(gang)涂层中没有发现微裂(lie)纹或(huo)开裂(lie),说明(ming)冷喷涂304不(bu)锈钢(gang)(gang)涂层在摩擦(ca)环(huan)境条件下不(bu)易发生失效开裂(lie)。

    冷喷涂(tu)304不锈(xiu)钢涂(tu)层的(de)摩(mo)擦系数为0.1625,低于304不锈(xiu)钢在干磨损(sun)条(tiao)件下(xia)的(de)摩(mo)擦系数0.47,说明(ming)其耐磨性远好于304不锈(xiu)钢。

    冷喷涂(tu)粒子在(zai)喷涂(tu)过程中发生塑性变形而(er)沉积。后续粒子对涂(tu)层的夯实、冷锻作用和内部的压(ya)应力导致冷喷涂(tu)涂(tu)层的硬度高(gao),故(gu)涂(tu)层的致密度和质量均较好。从以磨粒磨损为主要磨损失效形(xing)式的硬度和(he)耐磨性之间的关(guan)系:W=tanθ x L/πH可知,高硬(ying)度是冷喷涂(tu)304不锈(xiu)钢涂(tu)层耐(nai)磨性好的(de)主(zhu)要原因,也(ye)是冷喷涂(tu)工艺相对于其他喷涂(tu)工艺的(de)一大优点(dian)。

3结(jie)论

    (1)与(yu)原始304不锈(xiu)钢粉(fen)末(mo)相比(bi),冷(leng)喷涂(tu)(tu)304不锈(xiu)钢涂(tu)(tu)层无(wu)氧化、无(wu)相变(bian)产生(sheng),涂(tu)(tu)层致密(mi)、厚度(du)均(jun)匀;在冷(leng)喷涂(tu)(tu)过(guo)程中,涂(tu)(tu)层晶(jing)格发生(sheng)畸变(bian),晶粒得到(dao)细(xi)化(hua)。

    (2)冷喷涂304不锈(xiu)钢涂层(ceng)有效地改善了IF钢基体(ti)(ti)的(de)(de)(de)耐(nai)蚀(shi)性;涂层(ceng)电化学腐蚀(shi)后的(de)(de)(de)产物为奥氏体(ti)(ti)和铁素体(ti)(ti).无新的(de)(de)(de)腐蚀(shi)产物出现。

    (3)随着(zhe)腐(fu)(fu)蚀温度的升(sheng)高.304不锈钢涂层的腐(fu)(fu)蚀电流密度和腐(fu)(fu)蚀速率升(sheng)高,涂层的耐蚀性(xing)降低。

    (4)在(zai)相同的条(tiao)件下(xia),冷喷涂(tu)304不(bu)锈(xiu)(xiu)钢涂(tu)层(ceng)的耐磨性(xing)远好于304不(bu)锈(xiu)(xiu)钢和基(ji)体IF钢;基(ji)体IF钢和冷喷涂(tu)304不(bu)锈(xiu)(xiu)钢涂(tu)层(ceng)的磨损(sun)失效形式都是(shi)磨粒磨损(sun)机制,但基体(ti)IF钢中(zhong)有(you)(you)较大的(de)犁沟出(chu)现,304不锈(xiu)钢涂层中(zhong)则没有(you)(you)。

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