低合金鋼涂覆類金剛石膜耐蝕性能測試

1、第23卷第7期2002年7月腐蝕與防護CORROSION&PROTECTIONVol.23No.7July2002低合金鋼涂覆類金剛石膜耐蝕性能測試黃桂芳1,趙立華1,黃維清1,王巧玲2(1.湖南大學材料科學與工程學院,長沙410082;2.長沙環(huán)保學校,長沙410004)摘要:用自制的多功能離子束輔助沉積設備在20Cr和40Cr低合金鋼上沉積類金剛石膜。通過失重法、電化學方法研究低合金鋼鍍膜前后在不同腐蝕介質中的耐蝕行為。實驗結果表明,腐蝕速度降低,其抗全面腐蝕的性能與2Cr13不銹鋼接近,。失重法和穩(wěn)態(tài)極化曲線法所得結果吻合。關鍵詞:類金剛石膜;低合金鋼;腐蝕速度;中圖分類號:TG

2、174.44文獻標識碼:A:(2002)0720292203THEANIOROFLOW2ALLOYSTEELCOATEDDIAMOND2LIKECARBONFILMHUANGGui2fang1,ZHAOLi2hua1,HUANGWei2qing1,WANGQiao2ling2(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,HunanUniversity,Changsha410082;2.ChangshaEnvironmentProtectionSchool,Changsha410004,China)Abstract:Diamond2likecarbon(D

3、LC)filmwasdepositedon20Crand40Crlow2alloysteels,usingamulti2func2tionion2beamassisteddepositiondevice.Theanti2corrosionbehaviorindifferentcorrosionenvironmentswasstudiedbyweightlosstestandelectrochemicalmethod.ExperimentalresultsshowthatDLCfilmimprovestheanti2corrosionbehav2iorofsteelsubstrate.Being

4、coatedwithDLCfilm,low2alloysteelsexhibitlowcorrosionrate,whichisclosetothatof2Cr13stainlesssteel.Moreover,DLCfilmimprovesthesubstrateresistancetopittingcorrosionremarkably.Theresultofelectrochemicalmeassurementisidenticaltothatofweightlosstest.Keywords:Diamond2likecarbonfilm;Low2alloysteel;Corrosion

5、rate;Pittingcorrosion1引言目前應用范圍廣、生產(chǎn)量大而且歷史悠久的金屬材料要數(shù)鐵及其合金。在實際應用中,純鐵的需求量很少,而鋼材由于其價格低廉、容易加工以及優(yōu)良的機械性能等備受人們的關注,已廣泛應用于各個領域,在國民經(jīng)濟中占著相當重要的地位。然而,鋼材由于本身的活性而在某些環(huán)境下容易被腐蝕,因此其應用受到限制。類金剛石膜(DLC)具有良好的耐磨、耐蝕性能,目前國內(nèi)外有關DLC膜磨擦學性能的研究較多13,但關于耐蝕方面的報道相當少4,5。本文嘗試在20Cr和40Cr低合金鋼上沉積類金剛石膜并用失重法和電化學方法研究其在不同腐蝕介質中的腐蝕及耐蝕行為。2.1試樣制備2實驗部分收

6、稿日期:2001207213;修訂日期:2001208206292基體材料為40Cr、20Cr低合金鋼,表面經(jīng)磨平、拋光、金剛石粉研磨、丙酮清洗后在自制的多功能離子束輔助沉積設備上沉積類金剛石膜,膜厚為0.2m,表面電阻率為1061090.5cm數(shù)量級。腐蝕試驗前,在試樣各非工作面用導電銀膠引出導線,然后用環(huán)氧樹脂澆封固化,僅露出工作面。2.2失重試驗試樣在室溫3.5%NaCl溶液、3.5%NaCl+10%HCl溶液、3.5%NaCl+3%Na2S溶液和3.5%NaCl+3%Na2S(pH=4)溶液中浸泡14h,根據(jù)浸泡前后試樣的重量差、面積、浸泡時間計算試樣在不同介質中的腐蝕速度。2.3電化

7、學試驗以飽和甘汞電極為參比電極,鉑電極為輔助電極,測量不同給定電位下的電流響應信號。繪制穩(wěn)態(tài)陽極極化曲線,并通過外推法計算Tafela值和自然腐蝕電流密度icorr值。同時還以40mV/min的掃描速度對研究體系進行動電位掃描測定極化曲線。黃桂芳等:低合金鋼涂覆類金剛石膜耐蝕性能測試3結果與討論各試樣的失重試驗結果見表1。表1試樣的失重試驗結果(腐蝕速率:g/m2h)不銹鋼鍍膜前鍍膜后鍍膜前鍍膜后3.5%NaCl0.511.900.582.850.673.5%NaCl+3%Na2S0.130.860.411.310.463.5%NaCl+10%HCl1.959.00-11.001.903.5%

8、NaCl+3%Na2S(pH=4)1.122.630.562.98-腐蝕介質2Cr1340Cr20Cr極電位對鍍膜試樣陽極溶解反應的活化作用較小。各試樣的b值以及通過外推法求得i=1A/cm2的a值及=0時的自然腐蝕電流密度icorr值列于表2。表2各試樣在3.5%NaCl溶液中的電化學常數(shù)項目icorr(A/cm2)a(V)b()2Cr137.58×10-0.6040.147520Cr鍍膜前1.05×10-0.564141420Cr鍍膜后8.51×10-0.7140.1745從表1可以看出,各試樣在中性和堿性溶液中的腐蝕速率都較小,。三種基體試樣相比,2Cr13

9、不銹鋼的耐蝕性最好,40Cr鋼次之,20Cr鋼最差。在基體上鍍類金剛石膜后,40Cr和20Cr鋼的腐蝕速度明顯降低,其耐蝕性為基體試樣的2倍以上。由此可見,類金剛石膜可顯著降低鋼基體在中性和堿性介質中的腐蝕速率,提高基體試樣抗全面腐蝕的能力。40Cr和20Cr鋼鍍膜后的耐蝕能力接近2Cr13不銹鋼。低合金鋼基體上鍍類金剛石膜后,其腐蝕速率可降至與2Cr13不銹鋼大致相當?shù)乃?說明它們耐全面腐蝕的能力接近,從而為低合金鋼在中性和堿性腐蝕環(huán)境中的應用創(chuàng)造了條件。和中性及堿性介質相比,各試樣在酸性介質中的腐蝕速率較大;基體試樣鍍膜后腐蝕速率顯著降低,表明類金剛石膜能改善各基體試樣在酸性介質中的耐全

10、面腐蝕的能力。試樣在3.5%NaCl溶液中的穩(wěn)態(tài)陽極極化曲線如圖1所示。220Cr鋼基體電極的b,20Cr鋼在蝕時的阻力較小,鍍膜后,即陽極溶解過程所受阻力增大,從而降低了試樣的陽極溶解速度。鍍膜后電極的a值增大也說明了類金剛石膜在3.5%NaCl溶液中有較好的抗腐蝕能力。從表2也可知,20Cr鋼鍍膜后的自然腐蝕電流密度降低,其值接近2Cr13不銹鋼的自然腐蝕電流密度,和失重實驗結果吻合。圖2為試樣在3.5%NaCl+10%HCl溶液中的穩(wěn)態(tài)極化曲線。試樣的b值以及通過外推法求得i=1A/cm2的a值及=0時的自然腐蝕電流密度icorr值列于表3。圖2試樣在3.5%NaCl+10%HCl溶液中

11、的穩(wěn)態(tài)極化曲線表3各試樣在3.5%NaCl+10%HCl溶液中的電化學常數(shù)項目2Cr130.1120.1840Cr0.07290.1740CrDLC0.1140.13820Cr0.0320.09720CrDLC0.0840.095icorr(A/cm)2.4×10-43.7×10-41.5×10-44.7×10-41.31×10-4a(V)b(V)圖1試樣在3.5%NaCl溶液中的穩(wěn)態(tài)極化曲線從圖1可知,鍍類金剛石膜的試樣電極和基體電極相比極化曲線較陡,即有較大的Tafelb值,表明電從表3可知,鍍膜后試樣的a值大于相應的基體電極,表明基體電極

12、在3.5%NaCl+10%HCl溶液中對陽極溶解的催化能力較大,即腐蝕阻力較小,鍍膜后降低了電極在溶液中的陽極溶解能力,從而降低了試樣的腐蝕速率,鍍膜后試樣的icorr值降低293黃桂芳等:低合金鋼涂覆類金剛石膜耐蝕性能測試也說明鍍膜電極在3.5%NaCl+10%HCl溶液中較基體試樣有較好的抗腐蝕能力。試樣在3.5%NaCl溶液中的動態(tài)掃描E2I曲線見圖3,各試樣的自然腐蝕電位Ecorr和點蝕擊穿電位Eb結果列于表4。力差,而是由于它遭受了嚴重的點蝕等局部腐蝕所致。從實驗可知,類金剛石膜不僅可顯著降低40Cr低合金鋼基體在中性和堿性介質中的腐蝕速率,提高基體試樣抗全面腐蝕的能力,其鍍膜后的耐

13、蝕能力接近2Cr13不銹鋼。而且低合金鋼基體鍍類金剛石膜后,抗點蝕的性能得到改善,從而提高其在含Cl-溶液中的耐蝕能力。4結論(1)力(,其抗全面腐圖3試樣在3.2Cr13不銹鋼相當。(3)類金剛石膜明顯改善了低合金鋼基體抗點蝕的能力。參考文獻:1AndersonLP.Areviewofrecentworkonhardi2cfilmsJ.ThinSolidFilm,1981,86(23):193.2LiuE,BlanpainB,ShiX,etal.Tribologicalbehaviorofdifferentdiamond2likecarbonmaterialsJ.SurfaceandCoat

14、ingsTechnology,1998,106(1):72.3孫明仁,夏立芳,孫躍,等.Ti2C2DLC梯度復合膜及其表4試樣的點蝕性能參數(shù)參數(shù)Ecorr(V)Eb(V)40Cr-0.4580.03240CrDLC-0.4240.336動電位掃描曲線結果表明,鍍類金剛石膜試樣上的自然腐蝕電位Ecorr和點蝕擊穿電位Eb值均高于基體試樣的自然腐蝕電位Ecorr和點蝕擊穿電位Eb,說明類金剛石膜提高了40Cr低合金鋼在3.5%NaCl介質中的抗點蝕能力。不銹鋼在很多中性和摩擦性能J.材料科學與工藝,1999,17(1):17.4劉聲雷,毛友德.金屬表面類金剛石防護層的研究J.腐蝕與防護,1992,

15、13(3):128.5LiuZhihui,ZhaoJunfu,MclaughlinJ.Astudyofmi2crostructuralandelectrochemicalpropertiesofultra2thinDLCcoatingsonAlTiCsubstratesdepositedusingtheionbeamtechniqueJ.DiamondandRelatedMaterials,1999,8(1):56.堿性介質中具有良好的耐蝕性,但如果溶液中有活性Cl-存在,不銹鋼基體容易發(fā)生點蝕等局部腐蝕而導致整個材料報廢。眾所周知,不銹鋼器材在含Cl-溶液中的腐蝕報廢并不是由于其抗全面腐蝕能經(jīng)驗川化第一化肥廠水夾套內(nèi)壁的腐蝕及處理四川化工集團公司第一化肥廠合成氨裝置自投產(chǎn)以來,在工藝運行中陸續(xù)發(fā)現(xiàn)各處水夾套均排出一定S/cm,這表明產(chǎn)生了鐵離子一類的大量量的“紅水”。經(jīng)取樣分析,所排水pH值只有5.1,而電導率高達62腐蝕物,嚴重影響著生產(chǎn)裝置的安穩(wěn)運行及使用壽命。經(jīng)過分析