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304不銹鋼涂層的組織與耐磨耐腐蝕性能 

發布時間:2021-05-25

在鎂合金基體上冷噴涂(CGDS)純金屬鋁、鐵、鋅涂層或2681高溫鋁合金涂層可以有效地改善基體的耐磨耐蝕性能,冷噴涂的納米WC-Co涂層可以代替傳統的耐磨抗腐蝕硬鉻鍍層。相對于熱噴涂而言,冷噴涂由于噴涂溫度低,避免了涂層的氧化、晶粒的生長和相變的發生;同時無熱影響區,對涂層和基體的熱影響。因此,冷噴涂在制備耐磨耐蝕涂層方面有著廣闊的應用前景。

    不銹鋼是一種常用的耐蝕材料,在碳鋼表面制備的不銹鋼涂層具有高硬度、高耐磨性、優良的耐蝕性等優點,在實際生產應用中具有重要的意義。目前,在碳鋼表面制備不銹鋼涂層的報道較少,且采用的制備工藝主要是熱噴涂,其中激光熔覆和高速電弧噴涂盡管能夠實現涂層和基體的冶金結合,消除一些有害相,同時成本低、噴涂效率高、操作方便、適應性高.但由于制備溫度高.存在熱影響區和氧化明顯、易導致晶粒生長和發生相變,大大限制了其廣泛應用。相比之下,冷噴涂則可以消除上述諸多缺點,在制備不銹鋼耐蝕涂層方面具有明顯的優勢。為此,本工作采用冷噴涂技術在IF鋼表面制備了304不銹鋼涂層,并研究了其組織特征及耐磨、耐蝕性能。

1試驗

1.1涂層的制備

   基材為IF鋼板,厚度為4 mm。涂層材料為304不銹鋼粉末,平均粒徑25 um,其拉度分布見圖1。

    采用德國CGT3000冷氣動力噴涂系統制備冷噴涂層,噴涂溫度550℃,噴涂壓力3.0 MPa,噴涂距離為25mm,送粉率為1.0 L/min。

1.2涂層的組織與性能表征

    將304不銹鋼涂層用SiC砂紙打磨至1 500號后拋光、腐蝕,用MEF-3金相顯微鏡和JSM -5600LV型掃描電鏡(SEM)觀察其組織形貌。

    采用CS300電化學工作站對涂層及基體的耐蝕性進行檢測。腐蝕溶液為3.5%(質量分數)NaCI溶液,用去離子水與分析純NaCI配制。電化學腐蝕試驗采用三電極體系,飽和甘汞電極為參比電極,通過動電位掃描進行極化曲線測量。掃描速率為1.0 mV/s,環境溫度分別為25℃和45℃。利用JSM -56001.V型掃描電鏡觀察涂層電化學腐蝕后組織形貌,用XRD-6000 X射線衍射儀進行涂層的物相分析。

    采用UTM -2摩擦磨損試驗機分別對涂層及基體的耐房性能進行試驗。耐靡性試驗載荷10 N,單向行程5 mm,摩擦時間30 min,環境溫度20℃。對磨偶件為5 mm的GCr15鋼球,采用干摩擦磨損試驗,無潤滑狀態。利用掃描電鏡觀察冷噴涂涂層摩擦磨損后的組織形貌。

2結果與討論

2.1涂層組織形貌與相結構

    圖2為304不銹鋼涂層的截面SEM形貌。由圖2可知,涂層致密,孔隙率低,厚度比較均勻,平均厚度為145 um。

    圖3分別為304不銹鋼粉末、冷噴涂304不銹鋼涂層及其電化學腐蝕(腐蝕溫度為25℃)后的XRD譜。比較圖3a和圖3b可知,冷噴涂過程中無氧化、相變發生,但發生了晶格畸變和晶粒細化。比較圖3b和圖3c可知,304不銹鋼涂層電化學腐蝕后的產物為奧氏體和鐵素體,無新的腐蝕產物出現。

2.2涂層的電化學腐蝕性能

    圖4為基體和304不銹鋼涂層在25℃和45℃時的電化學極化曲線。對其進行擬合得到相應的自腐蝕電位、腐蝕電流密度和腐蝕速率見表1。結果顯示:冷噴涂304不銹鋼涂層的自腐蝕電位高于基體,腐蝕電流密度和腐蝕速率均小于基體,說明其耐蝕性優于基體,有效地改善了IF鋼的耐蝕性。由圖4b可知,基體的腐蝕電流密度開始時低于304不銹鋼涂層的,但隨著腐蝕時間的增加,其值遠遠高于304不銹鋼涂層的,這是304不銹鋼涂層發生了鈍化而基體發生了活性溶解所致。

    304不銹鋼涂層在電化學腐蝕過程中,發生了明顯的鈍化,45℃時的腐蝕電流密度始終高于25℃時(見圖4b),而且其腐蝕速率也明顯高于25℃時(見表1),說明304不銹鋼涂層的耐蝕性隨著溫度的升高而降低。采用HOVE技術制備的不銹鋼涂層的自腐蝕電位為-0.4 V左右,低于本試驗中測得的-0.315 V和-0.228 V,說明冷噴涂技術制備的不銹鋼涂層的耐蝕性優于HOVF制備的同類涂層。

2.3基體及涂層的腐蝕形貌

    圖5為25℃時,基體和304不銹鋼涂層的腐蝕形貌。由圖5可見,基體腐蝕均勻且嚴重,而涂層表面光滑,只有少量小的腐蝕坑存在。304不銹鋼在含Cl-溶液中容易發生點蝕,涂層在電化學腐蝕過程中發生了明顯的鈍化現象(見圖4)。因此,在鈍化膜的破裂處,溶液中活度大、半徑小的Cl-容易侵人.使得304不銹鋼涂層發生點蝕;或是由于粒子形成涂層時發生了很大的塑性變形,使得在涂層內出現密度很高的位錯,Cl-容易侵人發生點蝕。冷噴涂涂層是粒子之間經過碰撞發生塑性變形而機械結合形成的,發生點蝕后粒子之間的結合力減小發生脫落,于是形成了圖5的小腐蝕坑。

2.4基體和涂層的耐摩擦學性能

    測試結果顯示,基體和304不銹鋼涂層的磨擦系數分別為0.5489和0.1625,由此可知:在相同的條件下,304不銹鋼涂層材料的耐磨性遠好于基體。

    基體和涂層摩擦磨損后的形貌見圖6。由圖6可見:基體的磨痕整齊,比較均勻,寬度為420-450 um;涂層材料由于表面的不平整性,所以表面沒有形成整齊的磨痕,而是磨掉了其突出的部分,寬度為200-260um,磨損量明顯小于基體的?;w和304不銹鋼涂層的磨損失效形式都是磨粒磨損機制,基體材料中有較大的犁溝出現而涂層中沒有出現,這也證實了304不銹鋼涂層的耐磨性好于基體。除此之外,摩擦磨損后的304不銹鋼涂層中沒有發現微裂紋或開裂,說明冷噴涂304不銹鋼涂層在摩擦環境條件下不易發生失效開裂。

    冷噴涂304不銹鋼涂層的摩擦系數為0.1625,低于304不銹鋼在干磨損條件下的摩擦系數0.47,說明其耐磨性遠好于304不銹鋼。

    冷噴涂粒子在噴涂過程中發生塑性變形而沉積。后續粒子對涂層的夯實、冷鍛作用和內部的壓應力導致冷噴涂涂層的硬度高,故涂層的致密度和質量均較好。從以磨粒磨損為主要磨損失效形式的硬度和耐磨性之間的關系:W=tanθ x L/πH可知,高硬度是冷噴涂304不銹鋼涂層耐磨性好的主要原因,也是冷噴涂工藝相對于其他噴涂工藝的一大優點。

3結論

    (1)與原始304不銹鋼粉末相比,冷噴涂304不銹鋼涂層無氧化、無相變產生,涂層致密、厚度均勻;在冷噴涂過程中,涂層晶格發生畸變,晶粒得到細化。

    (2)冷噴涂304不銹鋼涂層有效地改善了IF鋼基體的耐蝕性;涂層電化學腐蝕后的產物為奧氏體和鐵素體.無新的腐蝕產物出現。

    (3)隨著腐蝕溫度的升高.304不銹鋼涂層的腐蝕電流密度和腐蝕速率升高,涂層的耐蝕性降低。

    (4)在相同的條件下,冷噴涂304不銹鋼涂層的耐磨性遠好于304不銹鋼和基體IF鋼;基體IF鋼和冷噴涂304不銹鋼涂層的磨損失效形式都是磨粒磨損機制,但基體IF鋼中有較大的犁溝出現,304不銹鋼涂層中則沒有。

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