低合金钢涂覆类金刚石膜耐蚀性能测试

1、第23卷第7期2002年7月腐蚀与防护CORROSION&PROTECTIONVol.23No.7July2002低合金钢涂覆类金刚石膜耐蚀性能测试黄桂芳1,赵立华1,黄维清1,王巧玲2(1.湖南大学材料科学与工程学院,长沙410082;2.长沙环保学校,长沙410004)摘要:用自制的多功能离子束辅助沉积设备在20Cr和40Cr低合金钢上沉积类金刚石膜。通过失重法、电化学方法研究低合金钢镀膜前后在不同腐蚀介质中的耐蚀行为。实验结果表明,腐蚀速度降低,其抗全面腐蚀的性能与2Cr13不锈钢接近,。失重法和稳态极化曲线法所得结果吻合。关键词:类金刚石膜;低合金钢;腐蚀速度;中图分类号:TG

2、174.44文献标识码: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引言目前应用范围广、生产量大而且历史悠久的金属材料要数铁及其合金。在实际应用中,纯铁的需求量很少,而钢材由于其价格低廉、容易加工以及优良的机械性能等备受人们的关注,已广泛应用于各个领域,在国民经济中占着相当重要的地位。然而,钢材由于本身的活性而在某些环境下容易被腐蚀,因此其应用受到限制。类金刚石膜(DLC)具有良好的耐磨、耐蚀性能,目前国内外有关DLC膜磨擦学性能的研究较多13,但关于耐蚀方面的报道相当少4,5。本文尝试在20Cr和40Cr低合金钢上沉积类金刚石膜并用失重法和电化学方法研究其在不同腐蚀介质中的腐蚀及耐蚀行为。2.1试样制备2实验部分收

6、稿日期:2001207213;修订日期:2001208206292基体材料为40Cr、20Cr低合金钢,表面经磨平、抛光、金刚石粉研磨、丙酮清洗后在自制的多功能离子束辅助沉积设备上沉积类金刚石膜,膜厚为0.2m,表面电阻率为1061090.5cm数量级。腐蚀试验前,在试样各非工作面用导电银胶引出导线,然后用环氧树脂浇封固化,仅露出工作面。2.2失重试验试样在室温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,根据浸泡前后试样的重量差、面积、浸泡时间计算试样在不同介质中的腐蚀速度。2.3电化

7、学试验以饱和甘汞电极为参比电极,铂电极为辅助电极,测量不同给定电位下的电流响应信号。绘制稳态阳极极化曲线,并通过外推法计算Tafela值和自然腐蚀电流密度icorr值。同时还以40mV/min的扫描速度对研究体系进行动电位扫描测定极化曲线。黄桂芳等:低合金钢涂覆类金刚石膜耐蚀性能测试3结果与讨论各试样的失重试验结果见表1。表1试样的失重试验结果(腐蚀速率:g/m2h)不锈钢镀膜前镀膜后镀膜前镀膜后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-腐蚀介质2Cr1340Cr20Cr极电位对镀膜试样阳极溶解反应的活化作用较小。各试样的b值以及通过外推法求得i=1A/cm2的a值及=0时的自然腐蚀电流密度icorr值列于表2。表2各试样在3.5%NaCl溶液中的电化学常数项目icorr(A/cm2)a(V)b()2Cr137.58×10-0.6040.147520Cr镀膜前1.05×10-0.564141420Cr镀膜后8.51×10-0.7140.1745从表1可以看出,各试样在中性和碱性溶液中的腐蚀速率都较小,。三种基体试样相比,2Cr13

9、不锈钢的耐蚀性最好,40Cr钢次之,20Cr钢最差。在基体上镀类金刚石膜后,40Cr和20Cr钢的腐蚀速度明显降低,其耐蚀性为基体试样的2倍以上。由此可见,类金刚石膜可显著降低钢基体在中性和碱性介质中的腐蚀速率,提高基体试样抗全面腐蚀的能力。40Cr和20Cr钢镀膜后的耐蚀能力接近2Cr13不锈钢。低合金钢基体上镀类金刚石膜后,其腐蚀速率可降至与2Cr13不锈钢大致相当的水平,说明它们耐全面腐蚀的能力接近,从而为低合金钢在中性和碱性腐蚀环境中的应用创造了条件。和中性及碱性介质相比,各试样在酸性介质中的腐蚀速率较大;基体试样镀膜后腐蚀速率显著降低,表明类金刚石膜能改善各基体试样在酸性介质中的耐全

10、面腐蚀的能力。试样在3.5%NaCl溶液中的稳态阳极极化曲线如图1所示。220Cr钢基体电极的b,20Cr钢在蚀时的阻力较小,镀膜后,即阳极溶解过程所受阻力增大,从而降低了试样的阳极溶解速度。镀膜后电极的a值增大也说明了类金刚石膜在3.5%NaCl溶液中有较好的抗腐蚀能力。从表2也可知,20Cr钢镀膜后的自然腐蚀电流密度降低,其值接近2Cr13不锈钢的自然腐蚀电流密度,和失重实验结果吻合。图2为试样在3.5%NaCl+10%HCl溶液中的稳态极化曲线。试样的b值以及通过外推法求得i=1A/cm2的a值及=0时的自然腐蚀电流密度icorr值列于表3。图2试样在3.5%NaCl+10%HCl溶液中

11、的稳态极化曲线表3各试样在3.5%NaCl+10%HCl溶液中的电化学常数项目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)图1试样在3.5%NaCl溶液中的稳态极化曲线从图1可知,镀类金刚石膜的试样电极和基体电极相比极化曲线较陡,即有较大的Tafelb值,表明电从表3可知,镀膜后试样的a值大于相应的基体电极,表明基体电极

12、在3.5%NaCl+10%HCl溶液中对阳极溶解的催化能力较大,即腐蚀阻力较小,镀膜后降低了电极在溶液中的阳极溶解能力,从而降低了试样的腐蚀速率,镀膜后试样的icorr值降低293黄桂芳等:低合金钢涂覆类金刚石膜耐蚀性能测试也说明镀膜电极在3.5%NaCl+10%HCl溶液中较基体试样有较好的抗腐蚀能力。试样在3.5%NaCl溶液中的动态扫描E2I曲线见图3,各试样的自然腐蚀电位Ecorr和点蚀击穿电位Eb结果列于表4。力差,而是由于它遭受了严重的点蚀等局部腐蚀所致。从实验可知,类金刚石膜不仅可显著降低40Cr低合金钢基体在中性和碱性介质中的腐蚀速率,提高基体试样抗全面腐蚀的能力,其镀膜后的耐

13、蚀能力接近2Cr13不锈钢。而且低合金钢基体镀类金刚石膜后,抗点蚀的性能得到改善,从而提高其在含Cl-溶液中的耐蚀能力。4结论(1)力(,其抗全面腐图3试样在3.2Cr13不锈钢相当。(3)类金刚石膜明显改善了低合金钢基体抗点蚀的能力。参考文献:1AndersonLP.Areviewofrecentworkonhardi2cfilmsJ.ThinSolidFilm,1981,86(23):193.2LiuE,BlanpainB,ShiX,etal.Tribologicalbehaviorofdifferentdiamond2likecarbonmaterialsJ.SurfaceandCoat

14、ingsTechnology,1998,106(1):72.3孙明仁,夏立芳,孙跃,等.Ti2C2DLC梯度复合膜及其表4试样的点蚀性能参数参数Ecorr(V)Eb(V)40Cr-0.4580.03240CrDLC-0.4240.336动电位扫描曲线结果表明,镀类金刚石膜试样上的自然腐蚀电位Ecorr和点蚀击穿电位Eb值均高于基体试样的自然腐蚀电位Ecorr和点蚀击穿电位Eb,说明类金刚石膜提高了40Cr低合金钢在3.5%NaCl介质中的抗点蚀能力。不锈钢在很多中性和摩擦性能J.材料科学与工艺,1999,17(1):17.4刘声雷,毛友德.金属表面类金刚石防护层的研究J.腐蚀与防护,1992,

15、13(3):128.5LiuZhihui,ZhaoJunfu,MclaughlinJ.Astudyofmi2crostructuralandelectrochemicalpropertiesofultra2thinDLCcoatingsonAlTiCsubstratesdepositedusingtheionbeamtechniqueJ.DiamondandRelatedMaterials,1999,8(1):56.碱性介质中具有良好的耐蚀性,但如果溶液中有活性Cl-存在,不锈钢基体容易发生点蚀等局部腐蚀而导致整个材料报废。众所周知,不锈钢器材在含Cl-溶液中的腐蚀报废并不是由于其抗全面腐蚀能经验川化第一化肥厂水夹套内壁的腐蚀及处理四川化工集团公司第一化肥厂合成氨装置自投产以来,在工艺运行中陆续发现各处水夹套均排出一定S/cm,这表明产生了铁离子一类的大量量的“红水”。经取样分析,所排水pH值只有5.1,而电导率高达62腐蚀物,严重影响着生产装置的安稳运行及使用寿命。经过分析