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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

在镁合金基体上冷喷涂(CGDS)纯金属铝、铁、锌涂层或2681高温铝合金涂层可以有效地改善基体的耐磨耐蚀性能,冷喷涂的纳米WC-Co涂层可以代替传统的耐磨抗腐蚀硬铬镀层。相对于热喷涂而言,冷喷涂由于喷涂温度低,避免了涂层的氧化、晶粒的生长和相变的发生;同时无热影响区,对涂层和基体的热影响。因此,冷喷涂在制备耐磨耐蚀涂层方面有着广阔的应用前景。

    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、喷涂效率高、操作方便、适应性高.但由于制备温度高.存在热影响区和氧化明显、易导致晶粒生长和发生相变,大大限制了其广泛应用。相比之下,冷喷涂则可以消除上述诸多缺点,在制备不锈钢耐蚀涂层方面具有明显的优势。为此,本工作采用冷喷涂技术在IF钢表面制备了304不锈钢涂层,并研究了其组织特征及耐磨、耐蚀性能。

1试验

1.1涂层的制备

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

    采用德国CGT3000冷气动力喷涂系统制备冷喷涂层,喷涂温度550℃,喷涂压力3.0 MPa,喷涂距离为25mm,送粉率为1.0 L/min。

1.2涂层的组织与性能表征

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

    采用CS300电化学工作站对涂层及基体的耐蚀性进行检测。腐蚀溶液为3.5%(质量分数)NaCI溶液,用去离子水与分析纯NaCI配制。电化学腐蚀试验采用三电极体系,饱和甘汞电极为参比电极,通过动电位扫描进行极化曲线测量。扫描速率为1.0 mV/s,环境温度分别为25℃和45℃。利用JSM -56001.V型扫描电镜观察涂层电化学腐蚀后组织形貌,用XRD-6000 X射线衍射仪进行涂层的物相分析。

    采用UTM -2摩擦磨损试验机分别对涂层及基体的耐房性能进行试验。耐靡性试验载荷10 N,单向行程5 mm,摩擦时间30 min,环境温度20℃。对磨偶件为5 mm的GCr15钢球,采用干摩擦磨损试验,无润滑状态。利用扫描电镜观察冷喷涂涂层摩擦磨损后的组织形貌。

2结果与讨论

2.1涂层组织形貌与相结构

    图2为304不锈钢涂层的截面SEM形貌。由图2可知,涂层致密,孔隙率低,厚度比较均匀,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涂层的电化学腐蚀性能

    图4为基体和304不锈钢涂层在25℃和45℃时的电化学极化曲线。对其进行拟合得到相应的自腐蚀电位、腐蚀电流密度和腐蚀速率见表1。结果显示:冷喷涂304不锈钢涂层的自腐蚀电位高于基体,腐蚀电流密度和腐蚀速率均小于基体,说明其耐蚀性优于基体,有效地改善了IF钢的耐蚀性。由图4b可知,基体的腐蚀电流密度开始时低于304不锈钢涂层的,但随着腐蚀时间的增加,其值远远高于304不锈钢涂层的,这是304不锈钢涂层发生了钝化而基体发生了活性溶解所致。

    304不锈钢涂层在电化学腐蚀过程中,发生了明显的钝化,45℃时的腐蚀电流密度始终高于25℃时(见图4b),而且其腐蚀速率也明显高于25℃时(见表1),说明304不锈钢涂层的耐蚀性随着温度的升高而降低。采用HOVE技术制备的不锈钢涂层的自腐蚀电位为-0.4 V左右,低于本试验中测得的-0.315 V和-0.228 V,说明冷喷涂技术制备的不锈钢涂层的耐蚀性优于HOVF制备的同类涂层。

2.3基体及涂层的腐蚀形貌

    图5为25℃时,基体和304不锈钢涂层的腐蚀形貌。由图5可见,基体腐蚀均匀且严重,而涂层表面光滑,只有少量小的腐蚀坑存在。304不锈钢在含Cl-溶液中容易发生点蚀,涂层在电化学腐蚀过程中发生了明显的钝化现象(见图4)。因此,在钝化膜的破裂处,溶液中活度大、半径小的Cl-容易侵人.使得304不锈钢涂层发生点蚀;或是由于粒子形成涂层时发生了很大的塑性变形,使得在涂层内出现密度很高的位错,Cl-容易侵人发生点蚀。冷喷涂涂层是粒子之间经过碰撞发生塑性变形而机械结合形成的,发生点蚀后粒子之间的结合力减小发生脱落,于是形成了图5的小腐蚀坑。

2.4基体和涂层的耐摩擦学性能

    测试结果显示,基体和304不锈钢涂层的磨擦系数分别为0.5489和0.1625,由此可知:在相同的条件下,304不锈钢涂层材料的耐磨性远好于基体。

    基体和涂层摩擦磨损后的形貌见图6。由图6可见:基体的磨痕整齐,比较均匀,宽度为420-450 um;涂层材料由于表面的不平整性,所以表面没有形成整齐的磨痕,而是磨掉了其突出的部分,宽度为200-260um,磨损量明显小于基体的。基体和304不锈钢涂层的磨损失效形式都是磨粒磨损机制,基体材料中有较大的犁沟出现而涂层中没有出现,这也证实了304不锈钢涂层的耐磨性好于基体。除此之外,摩擦磨损后的304不锈钢涂层中没有发现微裂纹或开裂,说明冷喷涂304不锈钢涂层在摩擦环境条件下不易发生失效开裂。

    冷喷涂304不锈钢涂层的摩擦系数为0.1625,低于304不锈钢在干磨损条件下的摩擦系数0.47,说明其耐磨性远好于304不锈钢。

    冷喷涂粒子在喷涂过程中发生塑性变形而沉积。后续粒子对涂层的夯实、冷锻作用和内部的压应力导致冷喷涂涂层的硬度高,故涂层的致密度和质量均较好。从以磨粒磨损为主要磨损失效形式的硬度和耐磨性之间的关系:W=tanθ x L/πH可知,高硬度是冷喷涂304不锈钢涂层耐磨性好的主要原因,也是冷喷涂工艺相对于其他喷涂工艺的一大优点。

3结论

    (1)与原始304不锈钢粉末相比,冷喷涂304不锈钢涂层无氧化、无相变产生,涂层致密、厚度均匀;在冷喷涂过程中,涂层晶格发生畸变,晶粒得到细化。

    (2)冷喷涂304不锈钢涂层有效地改善了IF钢基体的耐蚀性;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。

    (3)随着腐蚀温度的升高.304不锈钢涂层的腐蚀电流密度和腐蚀速率升高,涂层的耐蚀性降低。

    (4)在相同的条件下,冷喷涂304不锈钢涂层的耐磨性远好于304不锈钢和基体IF钢;基体IF钢和冷喷涂304不锈钢涂层的磨损失效形式都是磨粒磨损机制,但基体IF钢中有较大的犁沟出现,304不锈钢涂层中则没有。

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