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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(jian):2021-05-25

在镁合金(jin)基(ji)体(ti)(ti)上(shang)冷喷(pen)涂(tu)(tu)(tu)(CGDS)纯金(jin)属铝、铁、锌(xin)涂(tu)(tu)(tu)层或2681高温铝合金(jin)涂(tu)(tu)(tu)层可以有(you)效地改(gai)善基(ji)体(ti)(ti)的(de)(de)耐(nai)(nai)(nai)磨耐(nai)(nai)(nai)蚀(shi)性(xing)能,冷喷(pen)涂(tu)(tu)(tu)的(de)(de)纳(na)米(mi)WC-Co涂(tu)(tu)(tu)层可以代替传统的(de)(de)耐(nai)(nai)(nai)磨抗腐蚀(shi)硬铬镀(du)层。相(xiang)对于(yu)热(re)喷(pen)涂(tu)(tu)(tu)而(er)言,冷喷(pen)涂(tu)(tu)(tu)由于(yu)喷(pen)涂(tu)(tu)(tu)温度低,避免了涂(tu)(tu)(tu)层的(de)(de)氧化、晶粒的(de)(de)生长和相(xiang)变的(de)(de)发生;同时无热(re)影(ying)响区,对涂(tu)(tu)(tu)层和基(ji)体(ti)(ti)的(de)(de)热(re)影(ying)响。因此,冷喷(pen)涂(tu)(tu)(tu)在制(zhi)备耐(nai)(nai)(nai)磨耐(nai)(nai)(nai)蚀(shi)涂(tu)(tu)(tu)层方面有(you)着广(guang)阔的(de)(de)应用前(qian)景(jing)。

    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(shi)成本低、喷(pen)涂效率高(gao)、操作(zuo)方便、适应性(xing)高(gao).但由于制备(bei)温度高(gao).存(cun)在热影(ying)响区(qu)和氧化明显、易(yi)导致晶粒(li)生长和发生相变,大大限制了其(qi)广泛应用。相比之(zhi)下,冷喷(pen)涂则可(ke)以消除上述诸(zhu)多缺点,在制备(bei)不锈(xiu)钢(gang)耐(nai)(nai)蚀涂层方面具有明显的优(you)势。为此,本工作(zuo)采用冷喷(pen)涂技(ji)术在IF钢(gang)表面制备(bei)了304不锈(xiu)钢(gang)涂层,并研究(jiu)了其(qi)组织特征及(ji)耐(nai)(nai)磨、耐(nai)(nai)蚀性(xing)能。

1试验

1.1涂层的制(zhi)备

   基材为IF钢板,厚度为4 mm。涂层材料为304不锈钢粉末(mo),平均粒径(jing)25 um,其拉度分(fen)布见图1。

    采(cai)用德国CGT3000冷(leng)气(qi)动力喷(pen)涂系(xi)统制(zhi)备冷(leng)喷(pen)涂层(ceng),喷(pen)涂温度550℃,喷(pen)涂压力3.0 MPa,喷(pen)涂距(ju)离为25mm,送粉率为1.0 L/min。

1.2涂(tu)层(ceng)的组(zu)织(zhi)与性(xing)能表征

    将304不锈钢涂层(ceng)用SiC砂纸(zhi)打磨至1 500号后抛光、腐蚀(shi),用MEF-3金(jin)相显(xian)微镜和JSM -5600LV型扫描电镜(SEM)观察其组织形貌。

    采用(yong)(yong)CS300电(dian)化(hua)学工作站对涂(tu)层(ceng)(ceng)及基(ji)体的耐蚀(shi)性(xing)进行(xing)检测。腐蚀(shi)溶液为(wei)(wei)(wei)(wei)3.5%(质量分(fen)(fen)数(shu))NaCI溶液,用(yong)(yong)去离(li)子水与(yu)分(fen)(fen)析纯(chun)NaCI配制(zhi)。电(dian)化(hua)学腐蚀(shi)试验采用(yong)(yong)三电(dian)极(ji)(ji)体系(xi),饱(bao)和甘汞(gong)电(dian)极(ji)(ji)为(wei)(wei)(wei)(wei)参比电(dian)极(ji)(ji),通过动电(dian)位扫(sao)描进行(xing)极(ji)(ji)化(hua)曲线测量。扫(sao)描速率为(wei)(wei)(wei)(wei)1.0 mV/s,环(huan)境温度分(fen)(fen)别为(wei)(wei)(wei)(wei)25℃和45℃。利(li)用(yong)(yong)JSM -56001.V型扫(sao)描电(dian)镜观察涂(tu)层(ceng)(ceng)电(dian)化(hua)学腐蚀(shi)后组织形貌,用(yong)(yong)XRD-6000 X射(she)线衍(yan)射(she)仪进行(xing)涂(tu)层(ceng)(ceng)的物相分(fen)(fen)析。

    采用(yong)(yong)UTM -2摩(mo)(mo)擦(ca)磨(mo)(mo)损(sun)试(shi)(shi)验(yan)机分别对涂(tu)层(ceng)及基体的耐房性能进(jin)行试(shi)(shi)验(yan)。耐靡性试(shi)(shi)验(yan)载荷10 N,单向行程5 mm,摩(mo)(mo)擦(ca)时间30 min,环境温度20℃。对磨(mo)(mo)偶件为5 mm的GCr15钢球,采用(yong)(yong)干摩(mo)(mo)擦(ca)磨(mo)(mo)损(sun)试(shi)(shi)验(yan),无润(run)滑(hua)状态(tai)。利用(yong)(yong)扫描(miao)电镜观察冷(leng)喷涂(tu)涂(tu)层(ceng)摩(mo)(mo)擦(ca)磨(mo)(mo)损(sun)后(hou)的组(zu)织(zhi)形貌。

2结果与讨论

2.1涂层组织形貌与(yu)相结构

    图2为(wei)304不(bu)锈(xiu)钢涂层的截面(mian)SEM形(xing)貌。由(you)图2可知,涂层致密,孔隙率低,厚度(du)比较均(jun)(jun)匀,平均(jun)(jun)厚度(du)为(wei)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(ceng)的电化学腐蚀性(xing)能(neng)

    图(tu)4为(wei)基(ji)(ji)(ji)体(ti)(ti)和(he)(he)304不(bu)(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)在25℃和(he)(he)45℃时(shi)的电(dian)化(hua)学极(ji)化(hua)曲线。对其(qi)进行拟合得到相应的自腐(fu)(fu)蚀(shi)电(dian)位、腐(fu)(fu)蚀(shi)电(dian)流密(mi)度(du)和(he)(he)腐(fu)(fu)蚀(shi)速率见(jian)表1。结果显示:冷喷(pen)涂304不(bu)(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)的自腐(fu)(fu)蚀(shi)电(dian)位高于(yu)(yu)基(ji)(ji)(ji)体(ti)(ti),腐(fu)(fu)蚀(shi)电(dian)流密(mi)度(du)和(he)(he)腐(fu)(fu)蚀(shi)速率均小于(yu)(yu)基(ji)(ji)(ji)体(ti)(ti),说明(ming)其(qi)耐蚀(shi)性优于(yu)(yu)基(ji)(ji)(ji)体(ti)(ti),有(you)效地改善了(le)(le)IF钢(gang)(gang)的耐蚀(shi)性。由图(tu)4b可知,基(ji)(ji)(ji)体(ti)(ti)的腐(fu)(fu)蚀(shi)电(dian)流密(mi)度(du)开始时(shi)低于(yu)(yu)304不(bu)(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)的,但随着腐(fu)(fu)蚀(shi)时(shi)间的增加(jia),其(qi)值(zhi)远远高于(yu)(yu)304不(bu)(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)的,这是304不(bu)(bu)锈(xiu)钢(gang)(gang)涂层(ceng)发生(sheng)了(le)(le)钝(dun)化(hua)而基(ji)(ji)(ji)体(ti)(ti)发生(sheng)了(le)(le)活性溶解所(suo)致。

    304不(bu)锈钢(gang)涂(tu)层(ceng)在电(dian)化学(xue)腐(fu)蚀过(guo)程中,发(fa)生了明(ming)显的(de)(de)钝化,45℃时的(de)(de)腐(fu)蚀电(dian)流密度(du)始终(zhong)高(gao)于(yu)(yu)25℃时(见(jian)图(tu)4b),而且其腐(fu)蚀速(su)率也明(ming)显高(gao)于(yu)(yu)25℃时(见(jian)表1),说明(ming)304不(bu)锈钢(gang)涂(tu)层(ceng)的(de)(de)耐蚀性随着温度(du)的(de)(de)升高(gao)而降低。采用HOVE技术(shu)制备的(de)(de)不(bu)锈钢(gang)涂(tu)层(ceng)的(de)(de)自腐(fu)蚀电(dian)位为(wei)-0.4 V左右,低于(yu)(yu)本试验中测得的(de)(de)-0.315 V和-0.228 V,说明(ming)冷喷(pen)涂(tu)技术(shu)制备的(de)(de)不(bu)锈钢(gang)涂(tu)层(ceng)的(de)(de)耐蚀性优(you)于(yu)(yu)HOVF制备的(de)(de)同(tong)类涂(tu)层(ceng)。

2.3基体(ti)及涂层的(de)腐蚀形貌

    图5为25℃时,基体(ti)(ti)和304不(bu)锈钢(gang)涂(tu)层(ceng)(ceng)(ceng)的(de)(de)(de)(de)腐蚀(shi)形(xing)(xing)(xing)貌。由(you)(you)图5可见,基体(ti)(ti)腐蚀(shi)均匀(yun)且严重,而涂(tu)层(ceng)(ceng)(ceng)表面光滑,只(zhi)有少量小(xiao)的(de)(de)(de)(de)腐蚀(shi)坑存在(zai)(zai)(zai)。304不(bu)锈钢(gang)在(zai)(zai)(zai)含Cl-溶(rong)液(ye)中容易发生点(dian)蚀(shi),涂(tu)层(ceng)(ceng)(ceng)在(zai)(zai)(zai)电化(hua)学(xue)腐蚀(shi)过程中发生了(le)明显的(de)(de)(de)(de)钝化(hua)现象(xiang)(见图4)。因此(ci),在(zai)(zai)(zai)钝化(hua)膜的(de)(de)(de)(de)破裂处,溶(rong)液(ye)中活度(du)大、半径小(xiao)的(de)(de)(de)(de)Cl-容易侵人.使得304不(bu)锈钢(gang)涂(tu)层(ceng)(ceng)(ceng)发生点(dian)蚀(shi);或是由(you)(you)于粒(li)(li)子形(xing)(xing)(xing)成涂(tu)层(ceng)(ceng)(ceng)时发生了(le)很大的(de)(de)(de)(de)塑(su)性变(bian)形(xing)(xing)(xing),使得在(zai)(zai)(zai)涂(tu)层(ceng)(ceng)(ceng)内(nei)出现密度(du)很高的(de)(de)(de)(de)位错(cuo),Cl-容易侵人发生点(dian)蚀(shi)。冷喷涂(tu)涂(tu)层(ceng)(ceng)(ceng)是粒(li)(li)子之间经过碰撞发生塑(su)性变(bian)形(xing)(xing)(xing)而机(ji)械结合形(xing)(xing)(xing)成的(de)(de)(de)(de),发生点(dian)蚀(shi)后粒(li)(li)子之间的(de)(de)(de)(de)结合力减(jian)小(xiao)发生脱落,于是形(xing)(xing)(xing)成了(le)图5的(de)(de)(de)(de)小(xiao)腐蚀(shi)坑。

2.4基(ji)体和涂层(ceng)的耐摩擦学(xue)性能(neng)

    测试结果显示,基体(ti)和(he)304不(bu)锈(xiu)钢涂层(ceng)(ceng)的(de)磨擦系数(shu)分别为0.5489和(he)0.1625,由此可知:在相同的(de)条件下,304不(bu)锈(xiu)钢涂层(ceng)(ceng)材料的(de)耐磨性(xing)远好于基体(ti)。

    基体(ti)和涂(tu)(tu)层(ceng)摩擦(ca)磨(mo)(mo)损(sun)后的(de)形(xing)貌(mao)见图6。由图6可见:基体(ti)的(de)磨(mo)(mo)痕(hen)整(zheng)齐,比较均(jun)匀,宽度为(wei)(wei)420-450 um;涂(tu)(tu)层(ceng)材料由于表(biao)面的(de)不平整(zheng)性,所以(yi)表(biao)面没有形(xing)成整(zheng)齐的(de)磨(mo)(mo)痕(hen),而是磨(mo)(mo)掉了其突出(chu)的(de)部分,宽度为(wei)(wei)200-260um,磨(mo)(mo)(mo)(mo)损量明(ming)显小于基(ji)体(ti)(ti)(ti)的。基(ji)体(ti)(ti)(ti)和304不(bu)锈钢(gang)涂层(ceng)(ceng)的磨(mo)(mo)(mo)(mo)损失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)形式都是磨(mo)(mo)(mo)(mo)粒(li)磨(mo)(mo)(mo)(mo)损机制,基(ji)体(ti)(ti)(ti)材料中(zhong)有(you)较大的犁沟出(chu)现而涂层(ceng)(ceng)中(zhong)没有(you)出(chu)现,这也证实了304不(bu)锈钢(gang)涂层(ceng)(ceng)的耐磨(mo)(mo)(mo)(mo)性好于基(ji)体(ti)(ti)(ti)。除此之外,摩擦磨(mo)(mo)(mo)(mo)损后的304不(bu)锈钢(gang)涂层(ceng)(ceng)中(zhong)没有(you)发现微(wei)裂纹或开裂,说明(ming)冷喷涂304不(bu)锈钢(gang)涂层(ceng)(ceng)在摩擦环境条件下不(bu)易(yi)发生失(shi)(shi)效(xiao)(xiao)开裂。

    冷喷涂(tu)(tu)304不锈(xiu)钢(gang)涂(tu)(tu)层的摩(mo)擦系数(shu)为0.1625,低(di)于304不锈(xiu)钢(gang)在干(gan)磨损条件(jian)下的摩(mo)擦系数(shu)0.47,说(shuo)明其(qi)耐磨性远好(hao)于304不锈(xiu)钢(gang)。

    冷喷涂粒子在喷涂过程中(zhong)发生塑性变形而(er)沉积。后续粒子对涂层的(de)夯(hang)实、冷锻作(zuo)用和(he)内部(bu)的(de)压应力(li)导致冷喷涂涂层的(de)硬度(du)高,故涂层的(de)致密(mi)度(du)和(he)质量均较好(hao)。从以(yi)磨(mo)粒磨(mo)损为主(zhu)要磨(mo)损失(shi)效(xiao)形式的(de)硬度和耐磨(mo)性之间(jian)的(de)关系(xi):W=tanθ x L/πH可(ke)知,高硬度是冷喷(pen)涂(tu)(tu)304不锈(xiu)钢涂(tu)(tu)层耐磨(mo)性好(hao)的主要原因,也是冷喷(pen)涂(tu)(tu)工(gong)艺相(xiang)对于其(qi)他喷(pen)涂(tu)(tu)工(gong)艺的一大优点。

3结(jie)论

    (1)与原(yuan)始304不锈钢粉末相比(bi),冷喷(pen)涂304不锈钢涂层无氧化、无相变产生,涂层致密(mi)、厚度均匀;在(zai)冷喷(pen)涂过(guo)程(cheng)中(zhong),涂层晶格(ge)发生畸变,晶粒得(de)到细化。

    (2)冷喷涂(tu)304不锈钢(gang)涂(tu)层(ceng)(ceng)有效地(di)改善了(le)IF钢(gang)基体(ti)的耐(nai)蚀(shi)性;涂(tu)层(ceng)(ceng)电化学腐蚀(shi)后(hou)的产物为奥氏体(ti)和铁(tie)素体(ti).无(wu)新的腐蚀(shi)产物出现(xian)。

    (3)随(sui)着腐蚀(shi)温(wen)度(du)的(de)升高.304不(bu)锈钢涂层的(de)腐蚀(shi)电流密(mi)度(du)和腐蚀(shi)速率升高,涂层的(de)耐蚀(shi)性降低。

    (4)在相同的条件(jian)下,冷(leng)喷(pen)涂(tu)304不(bu)(bu)锈(xiu)钢(gang)涂(tu)层(ceng)的耐磨性远好于304不(bu)(bu)锈(xiu)钢(gang)和基(ji)体(ti)(ti)IF钢(gang);基(ji)体(ti)(ti)IF钢(gang)和冷(leng)喷(pen)涂(tu)304不(bu)(bu)锈(xiu)钢(gang)涂(tu)层(ceng)的磨损失效形式都是磨粒(li)磨损机制,但(dan)基体IF钢中(zhong)有较(jiao)大的犁沟出现,304不锈钢涂层中(zhong)则(ze)没有。

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