雙輝等離子表面冶金Ni-Cr耐蝕鋼板若干應(yīng)用基礎(chǔ)問(wèn)題的研究.pdf

1、普通碳鋼材料以其良好的塑性和韌性、易加工、成本低等特點(diǎn)被廣泛地應(yīng)用于建筑、交通，機(jī)械和能源等領(lǐng)域。然而，碳鋼材料卻具有一個(gè)普遍的問(wèn)題：易腐蝕。國(guó)內(nèi)外的學(xué)者們通過(guò)開(kāi)發(fā)各種耐蝕鋼和耐候鋼來(lái)改善鋼鐵的耐蝕性，但該類鋼鐵材料大量使用耐蝕合金元素使得材料成本上升，且不能有效地利用合金元素。碳鋼鋼板在鋼鐵材料中占有非常重要的地位。因此，在碳鋼鋼板表面形成不銹鋼成為世界冶金界的一個(gè)夢(mèng)想。本論文提出采用雙輝等離子表面冶金技術(shù)在普通碳鋼鋼板表面制備鎳基耐

2、蝕合金層，以形成一種新型的等離子表面冶金耐蝕碳鋼鋼板。該新型鋼板可以在保持基體碳鋼良好的塑韌性的同時(shí)具有優(yōu)秀的表面耐蝕性能，從而達(dá)到節(jié)約貴重合金元素，大幅度降低材料成本的作用。論文針對(duì)等離子表面冶金耐蝕鋼板規(guī)模應(yīng)用中涉及的一系列基礎(chǔ)科學(xué)問(wèn)題進(jìn)行系統(tǒng)地研究。
　　 為解決等離子表面冶金規(guī)模生產(chǎn)中合金元素供給量不足的問(wèn)題，論文提出一種格柵狀空心陰極源極結(jié)構(gòu)，以Ni80Cr20合金靶為源極材料，在Q235低碳鋼表面獲得與基體結(jié)合良好，

3、且成分呈梯度分布的Ni-Cr合金層，合金層的主要物相均為奧氏體相Ni2.9Cr0.7Fe0.36和少量鎳鐵礦相Ni3Fe。與平面狀源極結(jié)構(gòu)相比，格柵狀空心陰極源極結(jié)構(gòu)由于能夠提供更充足的合金元素供給量，其Ni-Cr合金層具有更厚的厚度和更高的Ni、Cr合金元素含量，耐蝕性能也明顯優(yōu)于平面狀源極結(jié)構(gòu)下的合金層。
　　 論文對(duì)等離子表面冶金工藝參數(shù)對(duì)Ni-Cr合金層的組織性能的影響進(jìn)行了系統(tǒng)研究。結(jié)果表明，提高處理溫度可以增加Ni-

4、Cr合金層的厚度，增大合金層中Ni、Cr合金元素含量，從而改善Ni-Cr合金層的耐蝕性能，在1000℃左右的處理溫度下能夠獲得耐蝕性能較好的Ni-Cr合金層。增大工作氣壓使得Ni-Cr合金層的厚度和Ni、Cr元素含量均呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，Ni-Cr合金層的耐蝕性能也同樣呈現(xiàn)先升后降的趨勢(shì)，51Pa左右的工作氣壓下的Ni-Cr合金層耐蝕性能最好。增加極間距使得Ni-Cr合金層厚度和合金元素含量呈現(xiàn)先增后減的趨勢(shì)，而其耐蝕性能同樣呈現(xiàn)先升后

5、降的趨勢(shì)，其中在15mm左右的極間距下的Ni-Cr合金層耐蝕性能最好。延長(zhǎng)保溫時(shí)間可以獲得更厚的Ni-Cr合金層，提高Ni-Cr合金層的耐蝕性能，但是保溫3h后Ni-Cr合金層的耐蝕性的改善就不再十分明顯。
　　 研究了基體碳含量對(duì)合金層組織性能的影響規(guī)律。在Q235低碳鋼、45鋼和T8鋼三種不同碳含量的碳鋼表面制備了Ni-Cr合金層。合金層的擴(kuò)散層厚度隨著基體碳含量增多而增大。Q235低碳鋼基體的合金層為致密的纖維狀結(jié)構(gòu)，45

6、鋼和T8鋼基體的合金層為對(duì)腐蝕不利的多空的錐形柱狀晶結(jié)構(gòu)，且柱狀晶隨著基體碳含量增加而呈現(xiàn)粗化現(xiàn)象。電化學(xué)腐蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示：Q235低碳鋼基體的Ni-Cr合金層的耐蝕性能最好，T8鋼基體的合金層次之，而45鋼基體的合金層的耐蝕性能表現(xiàn)最差。
　　 Ni-Cr合金靶材成分對(duì)Ni-Cr合金層的元素成分和物相具有直接影響。當(dāng)合金靶中合金元素Cr含量為20％時(shí)，Ni-Cr合金層的主要物相為Ni2.9Cr0.7Fe0.36相和少量Ni3F

7、e相；隨著合金靶中Cr元素含量增加到40％時(shí)，Ni-Cr合金層的主要物相轉(zhuǎn)變?yōu)镃r0.19Fe0.7Ni0.11相和少量Fe-Cr相；當(dāng)合金靶中Cr元素的含量進(jìn)一步增加，Ni-Cr合金層的物相中Fe-Cr相含量增加，Cr0.19Fe0.7Ni0.11相含量減少；當(dāng)合金靶中Cr元素含量增加到80％時(shí)，Ni-Cr合金層的主要物相轉(zhuǎn)變?yōu)镕e－Cr相和少量Cr0.19Fe0.7Ni0.11相。各成分的合金靶下，Ni-Cr合金層表面Ni、Cr元素

8、都主要以單質(zhì)Ni、Cr和NiO形式存在。通過(guò)對(duì)Ni-Cr合金層中Ni、Cr合金元素的成分偏析效應(yīng)進(jìn)行了研究，建立了合金靶成分與合金層成分的關(guān)系公式。納米壓痕試驗(yàn)表明，隨著合金靶中Cr元素含量增加，合金層的塑韌性降低。增加合金靶中Cr元素含量，可以提高Ni-Cr合金層中的Cr元素含量，使得合金層表面更容易形成連續(xù)致密的鈍化膜，合金層的耐蝕性能得到進(jìn)一步提高。然而，由于Ni60Cr40合金靶下的Ni-Cr合金層厚度較薄，其耐蝕性能較Ni80

9、Cr20合金靶下的合金層要差。
　　 建立了Ni-Cr合金層中的主要物相Ni2.9Cr0.7Fe0.36的原子模型Ni9Cr2Fe1，并根據(jù)能量最低原理，得到了Ni2.9Cr0.7Fe0.36相的平衡態(tài)幾何結(jié)構(gòu)。Ni9Cr2Fe1晶體的成鍵電子主要由Cr3s和3p價(jià)電子貢獻(xiàn)，而其Fermi能級(jí)處的態(tài)密度主要由Ni3d和Cr3d電子貢獻(xiàn)。Ni-Cr合金層中Ni、Cr、Fe原子間的電荷交互作用使Fe原子呈現(xiàn)正電性，促使Fe原子電位上