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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)镁合金基(ji)体(ti)上冷喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)(CGDS)纯金属铝(lv)、铁、锌涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)或2681高温铝(lv)合金涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)可以有(you)效地改善基(ji)体(ti)的(de)(de)耐(nai)(nai)磨(mo)耐(nai)(nai)蚀性能,冷喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)的(de)(de)纳米WC-Co涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)可以代替传统的(de)(de)耐(nai)(nai)磨(mo)抗(kang)腐(fu)蚀硬铬镀层(ceng)(ceng)。相对于热喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)而言,冷喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)由于喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)温度低(di),避免(mian)了(le)涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)的(de)(de)氧化、晶粒的(de)(de)生(sheng)长和相变的(de)(de)发(fa)生(sheng);同时无热影响(xiang)区,对涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)和基(ji)体(ti)的(de)(de)热影响(xiang)。因此(ci),冷喷(pen)(pen)涂(tu)(tu)在(zai)制备耐(nai)(nai)磨(mo)耐(nai)(nai)蚀涂(tu)(tu)层(ceng)(ceng)方面(mian)有(you)着(zhe)广阔的(de)(de)应用(yong)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(di)、喷涂(tu)(tu)效率高、操作(zuo)方(fang)便、适应性(xing)(xing)高.但由(you)于制(zhi)备(bei)温度高.存在(zai)热影响区和氧化明显、易导致晶粒生(sheng)长(zhang)和发(fa)生(sheng)相变(bian),大(da)大(da)限(xian)制(zhi)了其(qi)广泛(fan)应用。相比之(zhi)下,冷(leng)(leng)喷涂(tu)(tu)则(ze)可以(yi)消除上述诸多缺点,在(zai)制(zhi)备(bei)不锈(xiu)钢耐蚀(shi)涂(tu)(tu)层方(fang)面(mian)具有明显的(de)优(you)势(shi)。为此(ci),本工(gong)作(zuo)采用冷(leng)(leng)喷涂(tu)(tu)技术在(zai)IF钢表(biao)面(mian)制(zhi)备(bei)了304不锈(xiu)钢涂(tu)(tu)层,并(bing)研究了其(qi)组织(zhi)特征及耐磨、耐蚀(shi)性(xing)(xing)能。

1试验

1.1涂层的制备

   基材(cai)(cai)为(wei)IF钢板,厚(hou)度为(wei)4 mm。涂层(ceng)材(cai)(cai)料为(wei)304不锈钢粉末,平均粒(li)径25 um,其拉(la)度分布见图(tu)1。

    采(cai)用德(de)国CGT3000冷气(qi)动力(li)喷涂(tu)(tu)系统制备冷喷涂(tu)(tu)层,喷涂(tu)(tu)温度(du)550℃,喷涂(tu)(tu)压(ya)力(li)3.0 MPa,喷涂(tu)(tu)距离为(wei)25mm,送粉率(lv)为(wei)1.0 L/min。

1.2涂层的组织与性能表征

    将304不锈(xiu)钢涂层用(yong)SiC砂(sha)纸(zhi)打磨至1 500号后抛光、腐蚀,用(yong)MEF-3金相显(xian)微镜和JSM -5600LV型扫描电镜(SEM)观察其(qi)组织形貌。

    采用CS300电(dian)(dian)(dian)化学(xue)(xue)工作站对涂层(ceng)及基(ji)体的(de)耐蚀性(xing)进行(xing)检测。腐蚀溶(rong)液为(wei)3.5%(质量分数)NaCI溶(rong)液,用去离(li)子水与分析纯NaCI配制(zhi)。电(dian)(dian)(dian)化学(xue)(xue)腐蚀试(shi)验采用三电(dian)(dian)(dian)极体系,饱和甘汞电(dian)(dian)(dian)极为(wei)参(can)比电(dian)(dian)(dian)极,通过(guo)动电(dian)(dian)(dian)位扫描(miao)进行(xing)极化曲线测量。扫描(miao)速率为(wei)1.0 mV/s,环(huan)境温度分别为(wei)25℃和45℃。利用JSM -56001.V型扫描(miao)电(dian)(dian)(dian)镜观(guan)察涂层(ceng)电(dian)(dian)(dian)化学(xue)(xue)腐蚀后组织形貌,用XRD-6000 X射(she)(she)线衍射(she)(she)仪进行(xing)涂层(ceng)的(de)物相(xiang)分析。

    采用UTM -2摩(mo)擦(ca)磨(mo)损试(shi)验(yan)机分别对(dui)涂(tu)层及(ji)基(ji)体(ti)的(de)耐房性能进行(xing)试(shi)验(yan)。耐靡性试(shi)验(yan)载荷10 N,单向(xiang)行(xing)程(cheng)5 mm,摩(mo)擦(ca)时间30 min,环境温度20℃。对(dui)磨(mo)偶件(jian)为5 mm的(de)GCr15钢(gang)球,采用干摩(mo)擦(ca)磨(mo)损试(shi)验(yan),无润滑状态。利用扫描电镜(jing)观(guan)察(cha)冷喷(pen)涂(tu)涂(tu)层摩(mo)擦(ca)磨(mo)损后的(de)组织(zhi)形貌。

2结果与讨论

2.1涂(tu)层组织形(xing)貌与相结构

    图(tu)2为304不锈钢涂层(ceng)的截面SEM形貌。由图(tu)2可知(zhi),涂层(ceng)致密,孔隙(xi)率低,厚度比较(jiao)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涂层的(de)电(dian)化学腐蚀性能

    图(tu)4为基(ji)体(ti)和304不锈(xiu)(xiu)钢涂(tu)(tu)(tu)层在25℃和45℃时的电(dian)(dian)(dian)化学极化曲线(xian)。对其进(jin)行拟合(he)得到相应的自(zi)腐(fu)(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)(dian)位、腐(fu)(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)(dian)流(liu)密(mi)度和腐(fu)(fu)(fu)蚀(shi)(shi)速率见表(biao)1。结果显示:冷喷涂(tu)(tu)(tu)304不锈(xiu)(xiu)钢涂(tu)(tu)(tu)层的自(zi)腐(fu)(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)(dian)位高(gao)于基(ji)体(ti),腐(fu)(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)(dian)流(liu)密(mi)度和腐(fu)(fu)(fu)蚀(shi)(shi)速率均(jun)小(xiao)于基(ji)体(ti),说(shuo)明(ming)其耐(nai)蚀(shi)(shi)性优于基(ji)体(ti),有效地改(gai)善了IF钢的耐(nai)蚀(shi)(shi)性。由(you)图(tu)4b可(ke)知,基(ji)体(ti)的腐(fu)(fu)(fu)蚀(shi)(shi)电(dian)(dian)(dian)流(liu)密(mi)度开始(shi)时低于304不锈(xiu)(xiu)钢涂(tu)(tu)(tu)层的,但(dan)随着(zhe)腐(fu)(fu)(fu)蚀(shi)(shi)时间的增(zeng)加,其值远远高(gao)于304不锈(xiu)(xiu)钢涂(tu)(tu)(tu)层的,这是304不锈(xiu)(xiu)钢涂(tu)(tu)(tu)层发(fa)生了钝(dun)化而基(ji)体(ti)发(fa)生了活性溶解所致。

    304不锈钢(gang)(gang)涂层在电(dian)化学(xue)腐蚀(shi)过程中(zhong),发生了明(ming)(ming)显(xian)的(de)(de)(de)钝化,45℃时的(de)(de)(de)腐蚀(shi)电(dian)流密度(du)始终高于(yu)25℃时(见图(tu)4b),而且其腐蚀(shi)速率(lv)也明(ming)(ming)显(xian)高于(yu)25℃时(见表1),说(shuo)明(ming)(ming)304不锈钢(gang)(gang)涂层的(de)(de)(de)耐(nai)(nai)蚀(shi)性随着温度(du)的(de)(de)(de)升高而降(jiang)低。采用HOVE技(ji)术(shu)制备(bei)的(de)(de)(de)不锈钢(gang)(gang)涂层的(de)(de)(de)自(zi)腐蚀(shi)电(dian)位为-0.4 V左右,低于(yu)本试验中(zhong)测得的(de)(de)(de)-0.315 V和-0.228 V,说(shuo)明(ming)(ming)冷(leng)喷涂技(ji)术(shu)制备(bei)的(de)(de)(de)不锈钢(gang)(gang)涂层的(de)(de)(de)耐(nai)(nai)蚀(shi)性优(you)于(yu)HOVF制备(bei)的(de)(de)(de)同类(lei)涂层。

2.3基体(ti)及涂(tu)层的腐蚀形貌

    图5为(wei)25℃时(shi),基(ji)体(ti)(ti)和304不锈(xiu)钢(gang)(gang)涂(tu)层(ceng)(ceng)的(de)(de)腐(fu)蚀(shi)(shi)(shi)形貌。由(you)图5可见,基(ji)体(ti)(ti)腐(fu)蚀(shi)(shi)(shi)均匀且(qie)严(yan)重,而涂(tu)层(ceng)(ceng)表(biao)面光滑,只有少(shao)量小(xiao)的(de)(de)腐(fu)蚀(shi)(shi)(shi)坑存(cun)在(zai)。304不锈(xiu)钢(gang)(gang)在(zai)含Cl-溶(rong)液(ye)中容易(yi)发(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)点蚀(shi)(shi)(shi),涂(tu)层(ceng)(ceng)在(zai)电化学(xue)腐(fu)蚀(shi)(shi)(shi)过程中发(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)了(le)明显(xian)的(de)(de)钝化现(xian)象(xiang)(见图4)。因(yin)此,在(zai)钝化膜的(de)(de)破(po)裂处,溶(rong)液(ye)中活(huo)度大(da)、半径小(xiao)的(de)(de)Cl-容易(yi)侵人.使得304不锈(xiu)钢(gang)(gang)涂(tu)层(ceng)(ceng)发(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)点蚀(shi)(shi)(shi);或(huo)是(shi)(shi)由(you)于粒(li)子(zi)形成(cheng)涂(tu)层(ceng)(ceng)时(shi)发(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)了(le)很(hen)大(da)的(de)(de)塑性变形,使得在(zai)涂(tu)层(ceng)(ceng)内出现(xian)密度很(hen)高的(de)(de)位错,Cl-容易(yi)侵人发(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)点蚀(shi)(shi)(shi)。冷(leng)喷涂(tu)涂(tu)层(ceng)(ceng)是(shi)(shi)粒(li)子(zi)之间(jian)(jian)经过碰撞发(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)塑性变形而机械结(jie)合形成(cheng)的(de)(de),发(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)点蚀(shi)(shi)(shi)后粒(li)子(zi)之间(jian)(jian)的(de)(de)结(jie)合力减小(xiao)发(fa)生(sheng)(sheng)(sheng)(sheng)脱落,于是(shi)(shi)形成(cheng)了(le)图5的(de)(de)小(xiao)腐(fu)蚀(shi)(shi)(shi)坑。

2.4基体和涂层的耐(nai)摩擦学性能(neng)

    测试(shi)结果显(xian)示,基体(ti)(ti)和304不锈(xiu)钢涂层的磨擦系(xi)数分(fen)别为0.5489和0.1625,由(you)此可知:在相同(tong)的条件下,304不锈(xiu)钢涂层材(cai)料(liao)的耐磨性远(yuan)好(hao)于基体(ti)(ti)。

    基体(ti)和涂(tu)层摩擦(ca)磨损后的(de)形貌见(jian)图6。由(you)图6可(ke)见(jian):基体(ti)的(de)磨痕(hen)整齐(qi),比较均匀,宽度为420-450 um;涂(tu)层材料(liao)由(you)于表面的(de)不平整性,所以(yi)表面没有形成整齐(qi)的(de)磨痕(hen),而(er)是(shi)磨掉了其突(tu)出的(de)部分,宽度为200-260um,磨(mo)(mo)(mo)损(sun)量明显小(xiao)于基(ji)体(ti)(ti)的。基(ji)体(ti)(ti)和304不(bu)锈(xiu)钢涂层的磨(mo)(mo)(mo)损(sun)失效(xiao)形式都是磨(mo)(mo)(mo)粒磨(mo)(mo)(mo)损(sun)机制,基(ji)体(ti)(ti)材料中(zhong)(zhong)有较大的犁(li)沟出(chu)现而涂层中(zhong)(zhong)没有出(chu)现,这也证实(shi)了(le)304不(bu)锈(xiu)钢涂层的耐(nai)磨(mo)(mo)(mo)性好于基(ji)体(ti)(ti)。除(chu)此之外,摩(mo)擦磨(mo)(mo)(mo)损(sun)后的304不(bu)锈(xiu)钢涂层中(zhong)(zhong)没有发(fa)现微裂纹(wen)或开裂,说明冷喷(pen)涂304不(bu)锈(xiu)钢涂层在摩(mo)擦环(huan)境条件(jian)下(xia)不(bu)易(yi)发(fa)生失效(xiao)开裂。

    冷喷(pen)涂(tu)304不锈(xiu)钢(gang)涂(tu)层(ceng)的(de)摩(mo)擦系数(shu)为0.1625,低(di)于304不锈(xiu)钢(gang)在(zai)干磨(mo)(mo)损条(tiao)件下的(de)摩(mo)擦系数(shu)0.47,说(shuo)明其(qi)耐磨(mo)(mo)性远好(hao)于304不锈(xiu)钢(gang)。

    冷喷(pen)(pen)涂粒子在喷(pen)(pen)涂过程中发生塑性(xing)变形而沉(chen)积。后续粒子对(dui)涂层(ceng)(ceng)的(de)夯实、冷锻作(zuo)用和(he)内部的(de)压应力(li)导(dao)致冷喷(pen)(pen)涂涂层(ceng)(ceng)的(de)硬度(du)高,故涂层(ceng)(ceng)的(de)致密度(du)和(he)质量均较(jiao)好。从以磨(mo)粒磨(mo)损为主要磨(mo)损失效(xiao)形式的硬度和耐磨(mo)性之间的关(guan)系:W=tanθ x L/πH可知(zhi),高硬度(du)是冷(leng)喷涂(tu)304不锈钢涂(tu)层耐磨性好的(de)主要(yao)原因,也是冷(leng)喷涂(tu)工(gong)艺相对于其他喷涂(tu)工(gong)艺的(de)一大优点。

3结论

    (1)与原(yuan)始304不(bu)锈(xiu)钢粉末相比,冷喷涂304不(bu)锈(xiu)钢涂层(ceng)(ceng)无氧(yang)化、无相变产生(sheng),涂层(ceng)(ceng)致密、厚度均匀;在冷喷涂过程中,涂层(ceng)(ceng)晶(jing)格发生(sheng)畸变,晶(jing)粒(li)得到细(xi)化。

    (2)冷喷(pen)涂(tu)304不锈钢涂(tu)层(ceng)有(you)效(xiao)地改善(shan)了IF钢基体的(de)耐蚀(shi)(shi)性;涂(tu)层(ceng)电化(hua)学腐蚀(shi)(shi)后的(de)产物为奥(ao)氏体和铁素体.无新的(de)腐蚀(shi)(shi)产物出现(xian)。

    (3)随着腐蚀温度的(de)升高.304不(bu)锈钢涂(tu)层的(de)腐蚀电(dian)流(liu)密(mi)度和(he)腐蚀速率升高,涂(tu)层的(de)耐(nai)蚀性降低。

    (4)在相(xiang)同的条件下(xia),冷喷涂(tu)(tu)304不(bu)锈(xiu)钢涂(tu)(tu)层的耐磨性远好于(yu)304不(bu)锈(xiu)钢和(he)基(ji)体(ti)IF钢;基(ji)体(ti)IF钢和(he)冷喷涂(tu)(tu)304不(bu)锈(xiu)钢涂(tu)(tu)层的磨损失效形式都(dou)是磨粒磨损机制,但基体(ti)IF钢(gang)中有较大的犁沟出现,304不锈钢(gang)涂(tu)层中则(ze)没(mei)有。

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