CrN基涂层的制备及其在摩擦腐蚀环境下的行为研究

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目前,随着工业的迅速发展,部分零部件在腐蚀环境中面临着更加严苛的服役条件。比如,螺杆作为注塑机和挤出机中的核心部件,其质量的优劣对塑料制品的质量有着巨大的影响,但其工作环境较为恶劣,常常处于高温高压及摩擦磨损的环境中,固体颗粒与螺杆螺槽表面发生摩擦磨损,并且塑料加工中添加的增强剂、填充剂、助剂、着色剂等辅助剂在生产中会生成氯化物、溴化物和硫化物等腐蚀性介质,使得螺杆发生腐蚀。因此有必要提高零部件其表面强度、硬度、耐磨性和耐腐蚀性(高温)等性能。其次,当今海洋经济已成为国家经济的重要组成部分,坚持海陆统筹,推动海洋强国已成为国家的重要战略举措,而海洋经济的发展离不开开海洋工程装备的发展,而海工装备的性能和使用寿命往往取决于其关键运动零部件。海水是一个复杂的腐蚀环境,其会对海洋工程零部件产生严重的摩擦腐蚀,使得海工装备的发展遇到了瓶颈,严重制约了海工装备的使用性能和寿命,因此开发海洋环境下具有耐磨耐蚀的涂层材料对海洋经济的发展具有巨大的意义。本文基于提升在腐蚀环境中工业零部件表面的耐磨耐腐蚀性能需求,通过多弧离子镀技术在不同基体上制备了Cr/CrN、CrAlCN、CrAlTiCN和CrTiSiCN涂层,研究不同基体上制备的四类涂层在腐蚀环境下的摩擦磨损特性,阐明其在腐蚀环境下的摩擦磨损机理,获取在不同服役工况条件下的最佳磨蚀涂层。具体研究内容如下:(1)分别在38CrMoAlA钢和渗氮38CrMoAlA钢的基体上制备了CrN涂层,对其在HCl溶液中(PH=5)电化学性能及摩擦学性能进行研究。发现:以渗N38CrMoAlA钢为基体的Cr/CrN涂层在酸性条件下的耐磨耐腐蚀性能相对较好,其原因主要为Cr过渡层的存在使得基材与CrN涂层间的晶格错位匹配度减小,从而减小了两者之间的残余拉应力;在酸性条件下,Cr/CrN涂层的摩擦系数最小、磨损率最低、开路电位最高、腐蚀电流密度最小。(2)分别在316L、TC4、38CrMoAlA钢和渗氮38CrMoAlA钢的基体上制备了CrAlCN涂层,对其在大气环境下的摩擦学性能和模拟海水腐蚀环境中的耐磨蚀性能进行分析,发现:在大气环境下,以渗N 38CrMoAlA钢为基体的CrAlCN涂层的磨损率最低,耐磨性最好;在模拟海水腐蚀环境下,以TC4为基体的CrAlCN涂层的耐摩擦腐蚀性能较优。其原因为以渗N 38CrMoAlA钢为基体的CrAlCN涂层表现出的综合力学性能较高,而对于以316L和TC4为基体的CrAlCN涂层来说,CrAlCN-TC4的开路电位(OCP)较大,腐蚀电流密度较小,其磨损率较小。(3)分别在316L、TC4、38CrMoAlA钢和渗氮38CrMoAlA钢的基体上制备了CrAlTiCN涂层,对其在大气环境下的摩擦学性能和模拟海水腐蚀环境中的耐磨蚀性能进行分析,发现:在大气环境下,以316L为基体的CrAlTiCN涂层的摩擦学性能相对较优;在模拟海水腐蚀环境下,以TC4为基体的CrAlTiCN涂层的耐摩擦腐蚀性能较优。其原因为大气环境下,CrAlTiCN-316L涂层的硬度、H/E和H3/E*2值较大导致涂层摩擦系数较小、磨损率较低;在模拟海水腐蚀环境下,CrAlTiCN-TC4涂层的开路电位大于CrAlTiCN-316L涂层且腐蚀电流密度较小、摩擦系数较小、磨损率较低。(4)分别在316L、TC4、38CrMoAlA钢和渗氮38CrMoAlA钢的基体上制备了CrTiSiCN涂层,对其在大气环境下的摩擦学性能和模拟海水腐蚀环境中的耐磨蚀性能进行分析,发现:在大气环境下,以渗N 38CrMoAlA钢为基体的CrTiSiCN涂层耐摩擦性能较好;在模拟海水腐蚀环境中,以TC4为基体的CrTiSiCN涂层的耐摩擦磨蚀性能较好。其原因为以渗N 38CrMoAlA钢为基体的CrTiSiCN涂层的H/E较高,基体和涂层之间的结合力较大使得涂层的力学性能较好进而导致摩擦学性能较好;在模拟海水腐蚀环境中,滑动条件下,CrTiSiCN-TC4涂层的开路电位高于CrTiSiCN-316L涂层且腐蚀电流密度、摩擦系数及磨损率均较小。
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