雙輝等離子表面Ni2Cr合金滲層的組織及耐蝕性能研究

黃 俊,吳紅艷,畢 強(qiáng),張平則,姜云東

(1南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京211100; 2南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院,南京210044)

雙輝等離子表面Ni2Cr合金滲層的組織及耐蝕性能研究

黃 俊1,吳紅艷2,畢 強(qiáng)1,張平則1,姜云東1

(1南京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,南京211100; 2南京信息工程大學(xué)數(shù)理學(xué)院,南京210044)

采用雙層輝光等離子表面冶金技術(shù)在Q235鋼表面制備Ni2Cr合金滲層,對合金滲層的組織特征、成分和耐蝕性能進(jìn)行了研究。結(jié)果表明:Ni2Cr合金滲層與基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合狀態(tài);滲層中Ni,Cr元素含量由表及里逐漸減少,厚度約為30μm,滲層主要物相為Ni2.9Cr0.7Fe0.36。電化學(xué)極化試驗(yàn)表明經(jīng)Ni2Cr共滲處理后試樣的耐蝕性明顯優(yōu)于基材,且Ni2Cr合金滲層的保護(hù)效率高達(dá)99.7468%,而孔隙率僅有0.2%。

雙層輝光等離子冶金技術(shù);Ni2Cr合金滲層;Q235鋼;極化曲線;耐蝕性

在工業(yè)生產(chǎn)中,鋼鐵零部件的失效多數(shù)起源與表面磨損與腐蝕破壞。鋼鐵的腐蝕不僅造成經(jīng)濟(jì)上的損失而且不利于自然資源和能源的保護(hù),有些情況下鋼鐵的腐蝕還危及人身安全[1-3]。在金屬表面形成保護(hù)性覆蓋層能夠有效地改善碳鋼耐蝕性能。雙層輝光等離子表面冶金技術(shù)是一種新型的表面冶金技術(shù),它可以在普通材料表面形成具有特殊物理、化學(xué)性質(zhì)的表面合金層[4-7]。

Q235鋼是鐵道道釘、油氣管道、輸電系統(tǒng)、橋梁等戶外結(jié)構(gòu)的主要原料,這類零部件的腐蝕情況常常很嚴(yán)重[8-13]。本工作采用雙層輝光等離子表面冶金技術(shù)對Q235鋼進(jìn)行等離子表面Ni2Cr共滲處理,并研究其合金滲層的微觀組織和耐蝕性能。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 原料及制備

試樣為Q235鋼,尺寸為15mm×15mm。源極材料為Ni80Cr20板。雙輝等離子Ni2Cr共滲工藝:極限真空度5×10-3Pa;工作氣體為A r(99.99%);工作氣壓50Pa;陰極電壓250～330V;陰極電流2A;源極電壓950V;源極電流2A;工作溫度:950℃;工作時(shí)間3h;試樣與靶材的距離為15mm。

1.2 實(shí)驗(yàn)檢測

運(yùn)用掃描電子顯微鏡(SEM,Quanta200,FEI Company)觀察合金滲層截面的顯微組織,對合金滲層合金元素進(jìn)行能譜分析(EDS,XM S60S),并利用X射線衍射儀(XRD,BurkerD82ADVANCE)檢測合金滲層的物相組成。

采用CH I660C型電化學(xué)工作站測量Ni2Cr合金滲層在3.5%NaCl溶液中的動電位極化曲線,并和基材Q235相對比。電解池采用三電極體系,工作電極為Ni2Cr合金滲層,測試的有效面積為1cm2;參比電極選用飽和甘汞電極,輔助電極為鉑電極;電位掃描范圍為-0.8～1.6V,掃描速度為0.002V/s。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ni2Cr合金滲層的組織成分分析

Q235表面Ni2Cr合金滲層截面的SEM形貌圖如圖1所示。從圖1中可以看到在Ni2Cr合金滲層與基體的界面結(jié)合處兩側(cè)的組織是兩種不同的結(jié)構(gòu),圖中區(qū)域Ⅰ為Ni2Cr合金滲層,區(qū)域Ⅱ?yàn)榛w組織,由圖1可知合金滲層及其與基體的界面結(jié)合處的組織致密,沒有明顯的空洞等缺陷。

圖1 Ni2Cr合金滲層截面的SEM形貌圖Fig.1 Cross2sectional SEM morphology of Ni2Cr alloyed layer

圖2為Ni2Cr合金滲層截面的EDS線掃描能譜圖。由圖可知,在距離試樣表面0～20μm的區(qū)域?yàn)镹i2Cr沉積層,該區(qū)域合金元素主要有Ni和Cr組成, Fe元素含量極少;距離表面20～30μm的區(qū)域?yàn)镹i2 Cr擴(kuò)散層,該區(qū)域中Ni,Cr元素含量隨深度的增加而逐漸減少,Fe元素含量則逐漸增加;距離表面30μm以后的區(qū)域則為基體。

本工作中所指的Ni2Cr合金滲層是由Ni2Cr沉積層和擴(kuò)散層構(gòu)成,其厚度約為30μm,沉積層的作用主要是改善基材Q235的耐蝕性,而擴(kuò)散層則是改善沉

圖2 Ni2Cr合金滲層中Ni,Cr和Fe元素的EDS分析Fig.2 EDSanalysis of nickel,chromium and iron element distribution of the Ni2Cr alloyed layer

積層和基體之間的結(jié)合狀況,同時(shí)具備一定的耐蝕性。根據(jù)雙輝等離子表面滲金屬的原理,由陰極輝光放電產(chǎn)生的離子將轟擊試樣表面,加熱試樣的同時(shí)將在試樣表面產(chǎn)生很高的空位濃度,在空位濃度的驅(qū)使下,空位向基體內(nèi)部擴(kuò)散,從而形成一空位濃度梯度層,而該空位濃度梯度層為合金元素向基體內(nèi)部擴(kuò)散提供了一個(gè)快速通道[14,15]。同時(shí),由于試樣處于高溫狀態(tài)下,基體元素同樣會向沉積層中擴(kuò)散。因此實(shí)驗(yàn)過程中,在沉積層和基體界面處發(fā)生Ni,Cr和Fe元素的互擴(kuò)散現(xiàn)象,從而在沉積層與基體的界面處形成合金元素成分呈梯度分布的擴(kuò)散層,而這種由合金元素互擴(kuò)散形成的擴(kuò)散層組織結(jié)構(gòu)有利于增強(qiáng)沉積層和基體之間的界面結(jié)合強(qiáng)度,改善沉積層的結(jié)合力[16]。

2.2 Ni2Cr合金滲層的物相組成

采用X射線衍射分析方法對Ni2Cr合金滲層進(jìn)行物相組成分析。圖3是Ni2Cr合金滲層的X射線衍射圖譜結(jié)果。從試樣的X射線衍射圖譜中看出基材Q235的主要物相是Fe,而Ni2Cr合金滲層的主要物相成分為奧氏體相Ni2.9Cr0.7Fe0.36。分析圖3可知,Ni2Cr合金滲層的XRD衍射峰在2θ為44.111°, 511373°,75.605°,91.946°,97.313°處附近出現(xiàn),分別對應(yīng)奧氏體相Ni2.9Cr0.7Fe0.36的(111),(200),(220), (311),(222)晶面,其中(111)晶面的衍射峰最強(qiáng)。表明合金滲層為單晶相結(jié)構(gòu),且具有明顯的擇優(yōu)取向。

2.3 Ni2Cr合金滲層在3.5%NaCl溶液中的電化學(xué)試驗(yàn)

腐蝕試驗(yàn)采用動電位法測試Ni2Cr合金滲層與基體在NaCl溶液中的極化曲線。圖4為Ni2Cr合金滲層和基材Q235在3.5%NaCl溶液中的極化曲線。從圖4可以看出,Ni2Cr合金滲層的極化曲線具有明顯的鈍化區(qū)間,且合金滲層的腐蝕電位與基材Q235相比發(fā)生正移。這表明,利用雙輝表面冶金技術(shù)在Q235表面形成的Ni2Cr合金滲層,阻礙了NaCl溶液中Cl-擴(kuò)散到達(dá)基材Q235表面,從而無法形成電偶腐蝕,使得Ni2Cr合金滲層的腐蝕電位相比基材Q235發(fā)生正移,提高了Q235的抗腐蝕性能。

圖3 Ni2Cr合金滲層與基體的XRD衍射圖譜Fig.3 X2ray diffraction patterns of the substrate and the Ni2Cr alloyed layer

圖4 Ni2Cr合金滲層和基體在3.5%NaCl溶液中的極化曲線Fig.4 Polarization curvesof Ni2Cr alloyed layer and substrate in 3.5%NaCl solution

在電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)中,涂層的保護(hù)效率(PE)和孔隙率(P)常用來評價(jià)涂層對基材的腐蝕防護(hù)性能,它們可以分別用如下的公式表示:式(1)和(2)中的Rpol(uncoated)和Rpol(coated)分別為基材Q235和Ni2Cr合金滲層的極化電阻。ΔEcorr是基材和合金滲層的腐蝕電位差,而βa為基材的陽極塔菲爾斜率。

表1給出3.5%NaCl溶液中Ni2Cr合金滲層和基材Q235的電化學(xué)試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果。在相同的條件下,材料的腐蝕電位越高,腐蝕電流密度越小,極化電阻越大,說明該材料的耐蝕性能越好。從表1數(shù)據(jù)可見, Ni2Cr合金滲層的腐蝕電位為-0.329V,腐蝕電流密度為4.048×10-8A/cm2,極化電阻則為1.0085× 106Ω/cm2,均明顯的優(yōu)于基材Q235。根據(jù)公式(1)和(2)計(jì)算可得Ni2Cr合金滲層的保護(hù)效率高達(dá)9917468%,而孔隙率僅有0.2%。Ni2Cr合金滲層高保護(hù)效率和低孔隙率,表明覆蓋在基材Q235表面的Ni2Cr合金滲層致密且?guī)缀鯖]有洞穿合金滲層的微孔,這種致密的合金滲層結(jié)構(gòu)使得NaCl溶液中Cl-很難通過合金滲層中存在的一些小微孔和其他缺陷滲入到達(dá)基體,從而導(dǎo)致其腐蝕電位正移、腐蝕電流密度很小且極化電阻很大。由以上分析可知,基材Q235經(jīng)過雙輝等離子表面Ni2Cr共滲處理后,其耐蝕性能得到明顯的改善。

3 結(jié)論

(1)利用雙輝等離子表面冶金技術(shù)制備的Ni2Cr合金滲層致密,且與基體呈現(xiàn)良好的冶金結(jié)合狀態(tài)。合金滲層中Ni,Cr元素含量由表及里逐漸減少。滲層厚度約為30μm。

(2)XRD衍射圖譜分析表明Ni2Cr合金滲層的主要物相是奧氏體鋼相Ni2.9Cr0.7Fe0.36。

(3)Q235經(jīng)雙輝等離子表面Ni2Cr共滲處理后,耐蝕性得到明顯的改善。與基材Q 235相比,Ni2Cr合金滲層具有更高的腐蝕電位和極化電阻,以及更低的腐蝕電流密度,且Ni2Cr合金滲層的保護(hù)效率高達(dá)99.7468%,而孔隙率僅有0.2%。

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表1 3.5%NaCl溶液中Ni2Cr合金滲層和基材Q235的電化學(xué)參數(shù)_______________Table 1 Electrochemistry parameter of Ni2Cr alloyed and Q235 substrate in 3.5%NaCl solution

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M icrostructure and Co rrosion Resistance of Ni2Cr A lloyed Layer Fo rmed by Double Glow Plasma Surface M etallurgy

HUANG Jun1,WU Hong2yan2,B IQiang1,ZHANG Ping2ze1,JIANG Yun2dong1
(1 College of M aterial Science&Engineering,Nanjing University of Aeronautics and A stronautics,Nanjing 211100,China;2 College of M ath and Physics,Nanjing
University of Information Science&Technology,Nanjing 210044,China)

The W2Mo alloyed layer was deposited on surface of Q 235 steel by double glow p lasma sur2 facemetallurgy.The microstructures,composition and corrosion resistance of the alloyed layer were investigated.The results show ed that the Ni2Cr alloyed layer obtained w as w ell bonded to the sub2 strate.The nickel and chromium content in the alloyed layer decreased gradually from surface to sub2 strate,the thickness of the alloyed layer was 30μm and the phase of the alloyed layer was Ni219Cr017Fe0.36.The polarization curve indicated that the corrosion resistance of the specimen was imp roved evidently after Ni2Cr co2diffusion treated.The p rotection efficiency of the Ni2Cr alloyed lay2 er was 99.7468%,w hile the porosity of the alloyed layer was only 0.2%.

double glow p lasma surface metallurgy;Ni2Cr alloyed layer;Q235 steel;polarization curve;corrosion resistance

TG174.445

A

100124381(2010)1120079204

江蘇省科技成果轉(zhuǎn)化專項(xiàng)資金(BA2007036)

2009209221;

2010209205

黃俊(1982—),男,博士研究生,從事金屬材料表面改性研究,聯(lián)系地址:南京航空航天大學(xué)江寧校區(qū)150信箱轉(zhuǎn)545分箱(211100),E2mail:huangjun@nuaa.edu.cn