Q195钢表面等离子渗铬及耐蚀性研究

Q195钢表面等离子渗铬及耐蚀性研究
李柳霖;高原;黄鹏科;伍啟科;陈选楠
【摘要】为提高Q195钢表面的耐蚀性,采用辉光等离子渗金属技术,在碳钢Q195表面形成渗铬层,运用金相显微镜、X射线衍射仪及扫描电镜对不同气压下渗铬层的组织、渗层厚度、相结构及表面含铬量的影响作分析研究.并对渗铬层在3.5 %的NaCl溶液和1 mol/L NaOH溶液中的耐腐蚀性用电化学腐蚀方法进行了实验.分析结果表明:当工作气压为25 Pa、35 Pa、45 Pa时,渗层厚度分别为30 μm、50 μm和100 μm,表面含铬量分别为9.25 %、16.63 %、13.82 %(wt %);渗铬层组织致密,与基体结合紧密;渗层厚度随着气压的升高而增加,但在一定范围内,表面含铬量随气压的升高而增加,超过某一值,表面铬含量会随着气压的升高而减小;渗铬层的耐腐蚀性跟未处理的Q195相比,在3.5 %的NaCl溶液中提高10倍,在1 mol/L 的NaOH溶液中提高5.13倍.
【期刊名称】《桂林电子科技大学学报》
【年(卷),期】2010(030)003
【总页数】5页(P242-246)
【关键词】等离子渗铬;耐蚀性;渗铬层
【作者】李柳霖;高原;黄鹏科;伍啟科;陈选楠
【作者单位】桂林电子科技大学,材料科学与工程学院,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,材料科学与工程学院,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,材料科学与工程学院,广西,桂林,541004;桂林电子科技大学,材料科学与工程学院,广西,桂
林,541004;桂林电子科技大学,材料科学与工程学院,广西,桂林,541004
【正文语种】中文
【中图分类】TG178
碳素结构钢[1],因其价格低廉,加工性能好,广泛用于工程结构和制造机器零件,其产
量约占钢的总产量的70%～ 80%[2]。

但其不足之处在于在大气中易生锈,不耐腐
蚀[3],因而大大地限制了其使用范围。

铬是良好的耐蚀材料,通常被用来加入钢中提高耐蚀性。

但铬的价铬昂贵,从而导致不锈钢的价铬不菲。

通过表面处理技术,在普
通碳钢表面形成高铬合金层[4],不仅可以有效地节约铬元素,而且提高碳钢的性能,延长使用寿命,从而扩大其使用范围,使其在某些领域代替不锈钢,降低成本。

离子渗
金属技术是在普通钢铁材料表面通过辉光放电渗入各种合金元素,形成表面合金层
的方法[5],是一种新型的表面处理技术,具有渗速快,成分可控,无污染等诸多优点。

利用脉冲单电源结合离子渗金属技术,在普通碳素结构钢表面进行等离子渗铬,从而
在其表面形成高铬合金层,达到提高碳钢表面耐蚀性的目的。

首先研究了在碳钢表
面进行等离子渗铬的工艺,然后进行耐腐蚀试验,考核其耐腐蚀性能。

1 试验
1.1 试验原理
图1 辉光等离子渗金属装置结构原理图
辉光放电等离子渗金属,是利用稀薄气体的辉光放电现象,使之实现在金属表面渗入
合金元素的工艺[6]。

其原理如图1所示。

阳极罩接地,阴极盘接负高压电源,采用被渗工件为阴极,欲渗金属为源极提供溅射粒子源,外加一金属圆筒起保温及增强空心
阴极效应作用,该圆筒称为辅助阴极。

在本实验中,将源极金属丝均匀地布置于辅助
阴极内,将工件悬挂于辅助阴极中心,置于阴极盘上。

首先将炉内抽真空至极限真空度,加入阴极电压,同时通入氩气。

在电场的作用下,通入的气体被电离形成等离子体。

等离子体里的正离子奔向阴极(工件和源极),同时净化、激活工件和源极表面,并在表面产生微观晶体缺陷,同时把工件和源极加热。

奔向源极的正离子将源极金属原子或原子团溅射出来,在电场和热运动等的作用下,吸附、沉积到工件表面,并在高温下扩散渗入工件内部,形成含有欲渗金属元素的表面合金渗层。

1.2 试验方法
将尺寸为20 mm×70 mm×3 mm的板状正火态Q195工件,表面磨光至
Ra≤0.8μm;使用尺寸为Ф 6 mm×25 mm的铬丝作为源极材料,其中铬丝含铬量为64% ,其余为铁。

将铬丝均匀安装在Ф 100 mm×120 mm×5 mm(直径×高×壁厚)的作为辅助阴极的空心圆筒内;在型号为DLS-10等离子渗金属试验设备内进行离子渗铬工艺;用W DL-31型光电温度计测量工件温度;采用上海长方光学显微镜对渗层进行显微组织观测;用日本JEO L/JSM-5610LV 扫描电镜对渗层进行形貌观测和成分分析;用德国 Brukeraxs-D8X射线衍射仪分析渗层相结构。

工艺及参数选择: 电压500～ 750 V,占空比0.6～0.84,工作气压25 Pa、35 Pa和45 Pa,保温时间4 h,温度1 080℃,保温结束后,随炉冷却。

2 试验结果与分析
2.1 气压对渗层的影响
图2分别为工作气压25 Pa、35 Pa、45 Pa时获得的渗铬层金相组织。

可以看出,渗层与基体之间均有一条分界线,这是由于在1 080℃渗铬时基体组织为γ-Fe,初始阶段在表面形成铬在γ-Fe中的固溶体,理论上当表面Cr的浓度接近9% (w t% )时,生成铬在α-Fe中的固溶体晶核,随着保温时间的延长,晶核长大形成柱状晶的渗层组织,此时高温状态下的组织为: 铬在α-Fe中的固溶体+ 铬在γ-Fe中的固溶体+基体组织。

渗铬保温结束降温过程中,将会发生γ-Fe向α-Fe的晶体结构的转变,但是由于原子排列的差异所产生的相界面,因相变时晶格原子的错配排列被保留了下来,成为两相的分界面[7],从而成为室温金相组织中的分界线。

图2 不同气压条件下的渗层金相照片
由图3和图4可见,当气压为25 Pa时,表面含铬量为9.25% (w t% ),渗层厚度约为30μm;气压为35 Pa时,表面含铬量为16.63% (w t% ),渗层厚度约为50 μm;气压为 45 Pa 时,表面含铬量为 13.82%(w t% ),渗层厚度约为100 μm。

由此可见,渗层厚度随着气压的升高而增加,但在一定范围内,表面含铬量随气压的升高而增加,超过某一值,表面铬含量会随着气压的升高而减小。

这是由于当气压较低时,单位体积内的气体分子数较少,因而溅射出的金属原子也较少,随着气压的升高,单位体积内的气体分子数增加,因而溅射出的铬原子越多,当气压继续升高,越来越强的背散射效应不可忽视,由于背散射效应而返回溅射靶的粒子也越多,因而到达工件表面的铬的数量就会减小,导致了表面铬含量的降低。

气压的综合作用最终将导致源极的供给能力和工件的吸收能力发生变化,进而影响合金层的形成[8]。

图3 气压与渗层厚度的关系
图4 气压与表面铬含量的关系
2.2 渗铬层的结构分析
图5 渗铬层的X RD衍射图谱
渗铬层的X RD衍射图谱如图5所示。

从图中可以看出,渗铬层的物相组成为铁铬固溶体(Fe-Cr)。

由于铬能在α-Fe中无限互溶,所以形成单相组织。

3 腐蚀试验
一般来讲,铬含量越高,耐蚀性越好。

因此选用表面含铬量为16.63% (w t% )渗铬试样进行腐蚀试验。

采用腐蚀电流密度法[9]表示金属的腐蚀速度。

用三电极体系和PS-268A型电化学测量仪进行电化学腐蚀试验,分别对比和分析渗铬试样与未处理试样在3.5% NaCl、1mol/L NaO H中的腐蚀实验结果。

图6为三电极体系电化学腐蚀试验试验示意图。

图6 三电极体系测量示意图
3.1 3.5%的NaCl溶液中的腐蚀结果
表1 3.5%的NaCl溶液中的电化学腐蚀测试结果?
表1为3.5%的NaCl溶液中电化学腐蚀测试结果。

图7所示为未处理工件和渗铬后的工件在3.5%浓度的NaCl溶液中的对比极化曲线。

渗铬层随着电极电位的升高,电流密度逐渐减小。

当电位升到其自腐蚀电位Ek= - 418.3 mV 时进入阳极极化,并且电流密度随着电位的继续升高而缓慢增长,没有出现阳极钝化的现象。

而未处理工件的自腐蚀电位为Ek=- 638.5 mV,低于渗铬层的自腐蚀电位,当 E=- 130 mV 时,其电流密度为I= 35.1 mA◦cm- 2,大于渗铬层的电流密度I= 0.02 mA◦cm- 2,且自腐蚀电流密度是渗铬层的10倍。

可见,在3.5%的NaCl中,渗铬层的耐蚀性高于未处理工件。

图7 在3.5%的NaCl中的极化曲线
图8 3.5% NaCl中的腐蚀形貌
图7为未处理试样和渗铬层在3.5% NaCl中溶液中的腐蚀形貌。

图8(a)所示,在盐溶液中,未处理工件腐蚀严重,图8(b)所示,渗铬层表面下凹的胞状组织,表面状态较未处理工件好。

这是由于在含有Cl-的环境中, Cl-对试样表面腐蚀产物膜有强烈的破坏作用,但铬的存在可以提高铁的耐腐蚀性能,所以渗铬层的腐蚀程度较未处理工件轻。

同时Cl-会抑制铬元素的钝化效应[10],因此,渗铬层在3.5% NaCl无钝化现象出现。

3.2 在1 mol/L NaO H溶液中的腐蚀结果
图9 1 mol/L NaOH中的极化曲线
图9为渗铬层与未处理试样在1 mol/L NaO H中的极化曲线,由图中可以看出:开始时,随着电压的增大,电流密度逐渐减小,当电压增大到渗铬层的自腐蚀电位EK= - 502.3 mV 时,进入阳极极化,此时,随着电压的增大,电流密度缓慢增加,当电压增加到致钝电位EPP= 225.6 mV时,致钝电流密度iP P= 0.063 mA◦cm- 2,开始钝化,维
钝电流密度为ip= 0.022 mA◦cm- 2,但是稳定钝化区的电位范围较窄,当电位增加到E= 513 mV 时,进入过钝化区,此时,电流密度迅速增加,说明渗铬层在此阶段有高价铬离子形成,导致钝化膜破坏,使渗铬层又发生腐蚀。

未处理工件的自腐蚀电位EK= - 527.9 mV,比渗铬层略低,且自始至终都没有钝化现象发生。

从表2的测试结果来看,相比之下,渗铬层的耐蚀性较好。

表2 1 mol/L NaOH中的电化学腐蚀测试结果?
图10 1 mol/L NaO H溶液中的腐蚀形貌
图10为未处理试样和渗铬层在1 mol/L NaO H溶液中的腐蚀形貌。

由图10(a)可以明显看出未处理工件表面腐蚀严重,发生块状剥落现象,为典型的剥蚀。

由图10(b)可以看出,渗铬层表面表现出为下凹的胞状组织,表面状态良好。

这是由于铬的存在,钝化时表面形成致密、覆盖性好的保护膜,把金属的腐蚀环境隔开,使腐蚀速度降低[11]。

4 结果与讨论
周超梅[12]等人利用硼砂盐浴渗铬,在温度为1050 ℃,保温6 h 的条件下,所获得的渗层厚度最大为26.9 μm,而本工艺在保温时间4 h 下所获得的最大层深为100μm,由此可见,相比盐浴而言,本工艺的渗铬速度比盐浴渗铬要快得多,大大提高了效率。

获得具体结论如下:
(1)渗铬层组织致密,与基体结合紧密;
(2)在电压850～ 530 V、工作气压25 Pa、35 Pa、45 Pa,渗铬温度1080℃、保温时间4 h 的工艺条件下,所获得渗铬层的厚度分别为30μm、50μm和100 μm;表面含铬量分别为9.25%、16.63%、13.82%。

表明渗层厚度随着气压的升高而增加,但在一定范围内,表面含铬量随气压的升高而增加,超过某一值,表面铬含量会随着气压的升高而减小;
(3)渗铬层的物相组成为铁铬固溶体(Fe-Cr);
(4)在3.5%的NaCl溶液、1mol/L的NaO H溶液中,最佳渗铬试样的耐腐蚀性能比未处理的Q195钢分别提高10倍、5.13倍。

参考文献:
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[12] 周超梅,解生泽,齐云飞,硼砂盐浴渗铬工艺与性能的研究[J],热处理技术与装备,2008,29(2): 46-47.。