低合金鋼涂覆類金剛石膜耐蝕性能測(cè)試

1、第23卷第7期2002年7月腐蝕與防護(hù)CORROSION&PROTECTIONVol.23No.7July2002低合金鋼涂覆類金剛石膜耐蝕性能測(cè)試黃桂芳1,趙立華1,黃維清1,王巧玲2(1.湖南大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,長(zhǎng)沙410082;2.長(zhǎng)沙環(huán)保學(xué)校,長(zhǎng)沙410004)摘要:用自制的多功能離子束輔助沉積設(shè)備在20Cr和40Cr低合金鋼上沉積類金剛石膜。通過(guò)失重法、電化學(xué)方法研究低合金鋼鍍膜前后在不同腐蝕介質(zhì)中的耐蝕行為。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(jié)果吻合。關(guān)鍵詞:類金剛石膜;低合金鋼;腐蝕速度;中圖分類號(hào):TG

2、174.44文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(yīng)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(shí)際應(yīng)用中,純鐵的需求量很少,而鋼材由于其價(jià)格低廉、容易加工以及優(yōu)良的機(jī)械性能等備受人們的關(guān)注,已廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域,在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中占著相當(dāng)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(yīng)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(guó)內(nèi)外有關(guān)DLC膜磨擦學(xué)性能的研究較多13,但關(guān)于耐蝕方面的報(bào)道相當(dāng)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(xué)方法研究其在不同腐蝕介質(zhì)中的腐蝕及耐蝕行為。2.1試樣制備2實(shí)驗(yàn)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(shè)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(jí)。腐蝕試驗(yàn)前,在試樣各非工作面用導(dǎo)電銀膠引出導(dǎo)線,然后用環(huán)氧樹(shù)脂澆封固化,僅露出工作面。2.2失重試驗(yàn)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(shí)間計(jì)算試樣在不同介質(zhì)中的腐蝕速度。2.3電化

7、學(xué)試驗(yàn)以飽和甘汞電極為參比電極,鉑電極為輔助電極,測(cè)量不同給定電位下的電流響應(yīng)信號(hào)。繪制穩(wěn)態(tài)陽(yáng)極極化曲線,并通過(guò)外推法計(jì)算Tafela值和自然腐蝕電流密度icorr值。同時(shí)還以40mV/min的掃描速度對(duì)研究體系進(jìn)行動(dòng)電位掃描測(cè)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(cè)試3結(jié)果與討論各試樣的失重試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表1。表1試樣的失重試驗(yàn)結(jié)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(zhì)2Cr1340Cr20Cr極電位對(duì)鍍膜試樣陽(yáng)極溶解反應(yīng)的活化作用較小。各試樣的b值以及通過(guò)外推法求得i=1A/cm2的a值及=0時(shí)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(xué)常數(shù)項(xiàng)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(jiàn),類金剛石膜可顯著降低鋼基體在中性和堿性介質(zhì)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(dāng)?shù)乃?說(shuō)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(yīng)用創(chuàng)造了條件。和中性及堿性介質(zhì)相比,各試樣在酸性介質(zhì)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(zhì)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(yáng)極極化曲線如圖1所示。220Cr鋼基體電極的b,20Cr鋼在蝕時(shí)的阻力較小,鍍膜后,即陽(yáng)極溶解過(guò)程所受阻力增大,從而降低了試樣的陽(yáng)極溶解速度。鍍膜后電極的a值增大也說(shuō)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(shí)驗(yàn)結(jié)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(guò)外推法求得i=1A/cm2的a值及=0時(shí)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(xué)常數(shù)項(xiàng)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(yīng)的基體電極,表明基體電極

12、在3.5%NaCl+10%HCl溶液中對(duì)陽(yáng)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(yáng)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(cè)試也說(shuō)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(dòng)態(tài)掃描E2I曲線見(jiàn)圖3,各試樣的自然腐蝕電位Ecorr和點(diǎn)蝕擊穿電位Eb結(jié)果列于表4。力差,而是由于它遭受了嚴(yán)重的點(diǎn)蝕等局部腐蝕所致。從實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(diǎn)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(jié)論(1)力(,其抗全面腐圖3試樣在3.2Cr13不銹鋼相當(dāng)。(3)類金剛石膜明顯改善了低合金鋼基體抗點(diǎn)蝕的能力。參考文獻(xiàn):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(fù)合膜及其表4試樣的點(diǎn)蝕性能參數(shù)參數(shù)Ecorr(V)Eb(V)40Cr-0.4580.03240CrDLC-0.4240.336動(dòng)電位掃描曲線結(jié)果表明,鍍類金剛石膜試樣上的自然腐蝕電位Ecorr和點(diǎn)蝕擊穿電位Eb值均高于基體試樣的自然腐蝕電位Ecorr和點(diǎn)蝕擊穿電位Eb,說(shuō)明類金剛石膜提高了40Cr低合金鋼在3.5%NaCl介質(zhì)中的抗點(diǎn)蝕能力。不銹鋼在很多中性和摩擦性能J.材料科學(xué)與工藝,1999,17(1):17.4劉聲雷,毛友德.金屬表面類金剛石防護(hù)層的研究J.腐蝕與防護(hù),1992,

15、13(3):128.5LiuZhihui,ZhaoJunfu,MclaughlinJ.Astudyofmi2crostructuralandelectrochemicalpropertiesofultra2thinDLCcoatingsonAlTiCsubstratesdepositedusingtheionbeamtechniqueJ.DiamondandRelatedMaterials,1999,8(1):56.堿性介質(zhì)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(diǎn)蝕等局部腐蝕而導(dǎo)致整個(gè)材料報(bào)廢。眾所周知,不銹鋼器材在含Cl-溶液中的腐蝕報(bào)廢并不是由于其抗全面腐蝕能經(jīng)驗(yàn)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(tuán)公司第一化肥廠合成氨裝置自投產(chǎn)以來(lái),在工藝運(yùn)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(dǎo)率高達(dá)62腐蝕物,嚴(yán)重影響著生產(chǎn)裝置的安穩(wěn)運(yùn)行及使用壽命。經(jīng)過(guò)分析