Q235钢离子渗金属及性能测试实验报告

实验2 低碳钢表面防腐蚀镀层及性能表征

一、实验内容及目的

1.通过实验了解双层辉光等离子表面冶金技术，

2.渗金属的防腐蚀原理，

3.分析Q235钢渗Cr-Ni前后的抗腐蚀和磨损性能表征。

四、与实验相关的知识点

1.双层辉光等离子表面冶金技术（参考《表面工程概论》）；

2.电化学腐蚀防护（参考《材料腐蚀与防护》）；

3.低碳钢组织及性能（参考《金属材料学》）

三、实验操作要点

1.Q235钢的表面预处理：机械清理，化学清理

2.双辉离子渗Cr-Ni

（1）了解主要工艺参数：温度、时间、真空度，等。

（2）了解设备结构及离子渗金属原理；

（3）渗金属操作及质量检测。

一、渗铬镍后Q235钢的抗电化学腐蚀分析：绘制极化曲线，确定主要参数；磨损实验。

二、分析渗铬镍后Q235钢的微观组织、抗磨性，描述微观组织，绘制摩擦曲线。

四、实验报告要求

1.介绍渗金属原理及工艺参数；

2.介绍实验材料、仪器及程序；

3.分析渗铬镍后Q235钢的微观组织、抗磨性、抗腐蚀性能的检测结果。

五、实验报告

Q235钢离子渗金属及性能测试实验报告

相关课程姓名班级时间评分材料腐蚀与防护，表面

工程概论，金属材料学

三、实验内容

1.Q235钢双层辉光等离子渗Cr-Ni工艺；

2.渗Cr-Ni层抗磨损性能测试；

3.渗Cr-Ni后Q235钢抗腐蚀性能测试；

二、实验原理

1.双层辉光等离子渗Cr-Ni原理及工艺参数；

2.抗磨损性能测试方法；

3.电化学抗腐蚀性测试原理；

双层辉光等离子渗Cr-Ni原理及工艺参数：

双层辉光离子渗金属基本原理图

双层辉光离子渗金属技术是利用真空条件下双层辉光放电所产生的低温等离子体而形成的一种等离子表面冶金方法。其主要功能是在可导电材料表面形成具有特殊物理化学性能的合金层。

双层辉光离子渗金属是在一个真空容器内设有阳极、阴极、以及由欲渗合金元素组成的源极，在阳极和阴极以及阳极和源极之间各设一直流可调压电源。当

抽真空至1Pa左右后，充Ar气至30-50Pa，然后接通两个电源，阴极（即工件）置400-500V负偏压，欲渗金属极（称为源极）置800-1000V负偏压。在偏压的作用下，气体被点燃，产生强烈的辉光放电，在阴极和源极之间产生不等电位空心阴极效应，使得工件被迅速加热到高温850℃，使的欲渗金属原子被溅射出来，沉积到工件表面，在高温下，保温8个小时左右，在工件表面沉积原子浓度梯度的作用下，原子通过扩散，进入工件表层，形成表面合金层。

电化学抗腐蚀性测试原理：

根据电化学反应在导体界面上发生的又电子参加的氧化反应或还原反应。电极本身是传递电子的介质，又是电化学反应的反应点。通常将电流通过电极与溶液界面发生的一连串变化的总和称为电极反应。通过控制电极反应速度的方式来获得所需的过电位信息，从而得到金属腐蚀过程的特征。绘制阳极极化曲线，得到渗Cr-NiQ235钢的腐蚀电流、自腐蚀电位等信息。

图：ipp-致钝电流密度，ip-维钝电流密度，Eo-腐蚀电位，Epp-致钝电位，

Ep-维钝电位，Etp-过钝化电位

1.AB区：活化溶解区，曲线从腐蚀电位出发，金属电极的阳极电流密度随电位升高而增大，金属处于活性溶解状态。

2.BC区：活化-钝化过渡区，当电极电位达到临界钝化电位时，金属表面状态发生突变，电位继续增加，电流急剧下降，金属由活化态进入钝化态，此时，金属表面上生成过渡氧化物。对应与B点的电位、电流密度分别称为致钝电位和致钝电流密度。B点标志着金属钝化的开始。

3.CD区：稳定钝化区。，在这个区金属处于钝态并以ip（维钝电流密度）

速度溶解着。ip基本上与电位无关，即随着电位的增加，在一个相当宽的电位范围内金属阳极溶解速度几乎保持不变。此时金属表面上可能生成一层耐蚀性好的钝化膜。

4.DE区：过钝化区。过钝化区的特征是阳极电流密度再次随电位的升高而增大。这是由于发生了氧的析出反应。

金属的耐腐蚀能力随着致钝电位和维钝电位的降低、过钝化电位和击穿电位的升高及致钝电位和维钝电位的减小而提高。利用电化学工作站测的渗金属前后的阳极极化曲线比较其耐蚀性能。

抗磨损性能测试原理与方法

1、摩擦系数的测定原理：试样的待磨层与摩擦机转头，在荷重摩擦体的作用下，以规定的速度相互摩擦。通过测量摩擦前后涂层厚度的减少量，来判断涂层的耐磨性。在摩擦试验机结构原理下，采用微电脑控制、LCD动态显示、机电一体化原理，进行设定的摩擦试验。试验前将试验标准要求的、或操作者自定的摩擦实验时间、转速、实验半径、载荷等输入控制系统，试验则可实现自动控制，并在每次试验结束后蜂鸣提示。

2、称重法测磨损量：用称量试件在实验前后的质量变化来确定磨损量。采用电子分析天平称重，测量精度为0.1mg，仅适用于小试件。通过实验前后质量的变化，来判断渗层试件和基体试件的耐磨程度，质量变化小的耐磨程度大。

三、实验材料及仪器

1.材料：Q235钢，尺寸35×25×3mm; 源极：Cr80Ni20板；Ar气；

2.仪器：型多功能离子镀真空炉；武汉科思特仪器有限公司CS电化学测试系统；MS-T3000型摩擦磨损实验机

五、实验结果及分析

4.1铬镍渗层抗磨损性能对比分析（磨损划痕，摩擦系数）：

1、分别将Q235基体钢和渗铬镍Q235钢在电子天平上称重，然后以合适位置分别固定在摩擦磨损试验机试验机工作台上，并用螺钉固定。

2、在电脑上打开摩擦磨损测试软件，设定试验参数，试验半径2mm，旋转速

度300r/min，载荷500g，试验时间60min，极限摩擦系数10时试验停止。

3、空载调整，当摩擦系数稳定变化后，加砝码，开始试验，并通过软件进行数据记录。

摩擦磨损试验参数及结果

样品名称Q235钢基体Cr-Ni共渗试样

实验半径2mm 2mm

旋转速度300 r/min 300 r/min

载荷500 g 500 g

磨损损失质量0.013g 0.003g

最大摩擦系数0.6011 0.5596

平均摩擦系数0.6299 0.4314

铬镍共渗试样表面摩擦因数随时间变化的曲线

Q235基体钢表面摩擦因数随时间变化的曲线

4.2 渗铬镍后Q235钢抗腐蚀性测试（极化曲线分析）：

3%NaCl溶液电化学腐蚀结果

试样自腐蚀电流密度腐蚀速度相对腐蚀速度 I/mA·cm-2 V/mm·a

渗层试样 2.55X10-5 2.67X10-4 0.24

基体试样 1.04X10-4 1.09X10-3 1

普通碳钢腐蚀曲线图Cr-Ni共渗钢腐蚀曲线