Cr/CrAlSiN涂層海水環(huán)境摩擦學(xué)性能及耐蝕研究

劉孟奇

（蘭州石化職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000）

關(guān)鍵字：Cr/CrAlSiN；摩擦學(xué)性能；電化學(xué)腐蝕

隨著科技的發(fā)展，CrN基涂層在刀具或工件上應(yīng)用，提高了工作效率和材料的壽命[1]。海洋的開發(fā)和利用離不開好的裝備，鋼結(jié)構(gòu)被大量使用，一般用耐候鋼代替普通鋼，但是在海洋大氣的環(huán)境下，耐候鋼并未表現(xiàn)出良好的耐腐蝕性能。不同研究人員通過表面涂層改性處理，對(duì)其形成保護(hù)層[2-5]。另外，以海水作為機(jī)械傳動(dòng)摩擦副潤滑介質(zhì)與傳統(tǒng)的油介質(zhì)相比，在節(jié)能環(huán)保、可持續(xù)發(fā)展等方面有著巨大的發(fā)展?jié)摿?，已成為世界各國?jìng)相研究的一大熱點(diǎn)[6-8]。有效的途徑之一是開發(fā)在海水環(huán)境混合摩擦狀態(tài)下均具有良好減摩抗磨功效的先進(jìn)功能涂層，同時(shí)減少材料在服役過程中的腐蝕與磨損的交互作用。因此，文章探討Cr/CrAlSiN涂層在海水環(huán)境下的摩擦行為及腐蝕情況。

1 試驗(yàn)

1.1 涂層的制備

316L基底 (30 mm×20 mm×20 mm)分別在丙酮和乙醇中清洗15min，吹干后放入Hauzer Flexicoat F850多弧離子鍍膜設(shè)備的腔體中，加熱至450℃，通過濺射 Cr和AlSi靶 （純度大于99.5%），AlSi靶的質(zhì)量比為8∶2，同時(shí)通入氮?dú)猓?9.99%）。在沉積前，在基片上加載-900V的偏壓，由氬離子轟擊蝕刻2min，以去除基體上的氧化層和附著的其他雜質(zhì)。基底盤以3 r/min的速度旋轉(zhuǎn)，涂層均勻沉積。

1.1 涂層的測(cè)試

采用FEI Quanta FEG 250掃描電子顯微鏡觀察涂層的表面與截面形貌；采用D8 Advance X射線衍射儀（XRD） 對(duì)Cr/CrAlSiN涂層的相結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)定；磨損試驗(yàn)采用往復(fù)式的滑動(dòng)接觸的Rtce試驗(yàn)機(jī) （Rev.1.0.0，USA），在室溫 （17±5） ℃和相對(duì)濕度為（60±5）%下進(jìn)行，摩擦環(huán)境為人工海水溶液。

2 結(jié)果與討論

2.1 涂層的微觀結(jié)果

Cr/CrAlSiN涂層的截面和表面見圖1。圖1(a)Cr/CrAlSiN涂層的截面形貌，呈現(xiàn)出較為致密的柱狀晶結(jié)構(gòu)，涂層厚度大約6.2μm，分別為CrAlSiN 5.1μm、過渡層 Cr 1.1μm。過渡層清晰可見，能有效提高基底與涂層的附著力。圖1（b）為Cr/CrAlSiN涂層的表面形貌，具有靶材局部受熱蒸發(fā)熔化濺射沉積在基底上的顆粒，但沒有較大的缺陷，表面相對(duì)光滑。通過共聚焦激光掃描顯微鏡測(cè)得的表面粗糙度為222 nm。通過XRD圖譜表明Cr/CrAlSiN涂層中存在 {111}、{200}、 {222}衍射峰，對(duì)應(yīng)于面心立方的CrN相，同時(shí)，擇優(yōu)取向?yàn)?{111}。Si以非晶態(tài)Si3N4相存在。

圖1 Cr/CrAlSiN涂層的截面（a） 與表面形貌（b）

2.2 摩擦與腐蝕性能

圖2（a） 為Cr/CrAlSiN涂層和316L海水環(huán)境下的摩擦因數(shù)。316L的平均摩擦因數(shù)為0.35，Cr/CrAlSiN涂層在海水環(huán)境下的平均摩擦因數(shù)為0.18，降低了49%。由于Cr/CrAlSiN涂層的表面存在顆粒，在摩擦實(shí)驗(yàn)開始前期摩擦因數(shù)出現(xiàn)了波動(dòng)，1600s之后，處于穩(wěn)定狀態(tài)。從圖2（b）Cr/CrAlSiN涂層的摩擦形貌中可以看出，磨痕表面比較光滑，沒有出現(xiàn)裂紋與剝落，過渡層的設(shè)計(jì)阻止了裂紋從平行方向沿著界面擴(kuò)展。主要原因是海水潤滑作用：一方面海水中水分子能吸附在涂層及摩擦配副的表面形成分子層，避免涂層與配副直接接觸；另一方面海水中的某些組分在摩擦過程中容易形成碳酸鈣及氫氧化鎂等產(chǎn)物，起到了潤滑效果[9]。

圖2 （a）Cr/CrAlSiN涂層和316L的海水環(huán)境下摩擦因數(shù)；（b）涂層海水環(huán)境下摩擦形貌

通過對(duì)極化曲線擬合，基底和涂層的自腐蝕電位分別為-0.42V、-0.35V，同時(shí)自腐蝕電流密度下降了大約2個(gè)數(shù)量級(jí)。圖3為316L和涂層ESI測(cè)試后的表面形貌。從圖3（a） （b） 中可以看出316L局部腐蝕的小孔，圖3（c） （d）Cr/CrAlSiN涂層表面并未出現(xiàn)腐蝕小孔，這是由于Cl-對(duì)316L基底有較大的破壞作用，吸附在了基底的缺陷位置，與其中的陽離子結(jié)合成氯化物，組成無數(shù)微小的原電池，更多的活性物質(zhì)溶解，而涂層是致密的鍍層，有效的降低了腐蝕程度[10]。

3 結(jié)語

圖3 316L和Cr/CrAlSiN涂層ESI測(cè)試后的表面形貌

1）Cr/CrAlSiN涂層成分有CrN相、AlN相及非晶態(tài)Si3N4相， {111}擇優(yōu)取向尤為明顯。2） 在海水環(huán)境下，與316L基底相比，Cr/CrAlSiN涂層的摩擦因數(shù)較低，具有良好的耐腐蝕性能。