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钢铁表面等离子体液相电解沉积陶瓷膜及耐磨耐蚀性能

王云龙

   为提高钢铁材料的耐磨耐蚀性能,本文运用等离子体液相电解沉积(PED)方法在不同钢铁表面生长陶瓷膜。利用阴极PED法采用硝酸-铝乙醇溶液(乙醇体系)在Q235碳钢和30CrMnSi合金钢表面制备陶瓷膜;利用阳极PED法分别在铝酸钠-磷酸盐(铝酸盐体系)和硅酸钠-次磷酸盐(硅酸盐体系)两种水溶液体系中制备陶瓷膜。采用SEM、XRD、EDS、FTIR、XPS等手段系统地研究了陶瓷膜层的微观组织结构,并分析了PED过程中膜层的形成过程,建立膜层微区放电模型。利用球-盘摩擦磨损试验、电化学测试技术、显微硬度测试、拉伸和热震实验研究了陶瓷膜层的耐磨性能、耐腐蚀性能、硬度和结合强度。 研究表明,Q235碳钢、30CrMnSi合金钢两种基体在乙醇体系中获得的阴极PED膜层组成和结构相似,均由α-Al_2O_3和γ-Al_2O_3组成,其中α-Al_2O_3为主晶相。提高占空比或电流密度有利于α-Al_2O_3含量的提高,膜层的组成元素主要来自基体,基体中的主要元素铁只有少量存在于膜层和基体的界面处,膜层生长过程中沿基体表面向外生长。 Q235碳钢在在铝酸盐体系中形成的陶瓷膜层由Fe_3O_4-FeAl_2O_4晶相组成,随峰值电流密度、频率的提高以及反应时间的延长,膜层的结晶度略有提高,在硅酸盐体系中形成的膜层主要含有O、Si和Fe元素。30CrMnSi合金钢表面阳极PED膜层Q235碳钢相似,在铝酸盐体系中制备的膜层为Fe_3O_4-FeAl_2O_4晶相,在硅酸盐体系中制备的膜层由O、Si和Fe元素元素组成。钢铁阳极PED膜层的组成元素来自基体和电解液,膜层沿基体同时向内向外生长。 Q235碳钢在乙醇体系中的膜层的腐蚀电流密度为7.359×10-8A/cm2,腐蚀电位为-0.490V,其腐蚀电流比基体降低三个数量级。在铝酸盐体系和硅酸盐体系中获得的膜层的腐蚀电流密度分别为3.117×10?7A/cm2 ,和7.636×10?7A/cm2,腐蚀电位分别位0.423V,-0.491V。腐蚀电流均比基体降低2个数量级。Q235碳钢表面膜层的摩擦系数以铝酸盐体系膜层最低,乙醇溶液中的膜层次之。三种膜层的最高硬度分别为为1896Hv,1201Hv,987Hv,最大结合强度为17.8MPa,21MPa,和15MPa。总体而言,Q235碳钢在铝酸盐体系的膜层具有最低的摩擦系数和较好的耐蚀性能,乙醇体系膜层具有最好的耐蚀性能和较低的摩擦系数。 30CrMnSi在乙醇体系中的膜层的腐蚀电流密度也比基体降低三个数量级,铝酸盐体系和硅酸盐中获得膜层腐蚀电流密度比基体降低100倍左右。30CrMnSi表面膜层硬度以及结合强度与Q235碳钢表面膜层相似。30CrMnSi在乙醇体系的膜层具有较好的耐磨、耐蚀综合性能。……   
[关键词]:等离子体液相电解沉积;陶瓷膜;耐磨;耐蚀;钢铁
[文献类型]:博士论文
[文献出处]:哈尔滨工业大学2010年