钢铁表面等离子体液相电解沉积陶瓷膜及耐磨耐蚀性能

摘要

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-Al2O3和γ-Al2O3组成，其中α-Al2O3为主晶相。提高占空比或电流密度有利于α-Al2O3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 Fe3O4-FeAl2O4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Fe3O4-FeAl2O4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。

目录

钢铁表面等离子体液相电解沉积 陶瓷膜及耐磨耐蚀性能

PLASMA ElECTROLYTIC DEPOSITION CERAMIC COATINGS ON STEELS AND THE CORROSION RESISTANCE AND WEAR RESISTANCE

摘要

Abstract

Contents

第1章 绪论

1.1 课题背景

1.2 钢铁材料表面改性技术

1.3 等离子体液相电解沉积技术概述

1.4 论文的主要研究内容

第2章 实验材料和实验方法

2.1 实验材料及装置

2.2 测试方法

第3章 阴极PED法钢铁表面陶瓷膜的制备与表征

3.1 不同基体表面陶瓷膜的制备

3.2 工艺参数对陶瓷膜结构的影响

3.3 陶瓷膜的Tafel曲线测试

3.4 陶瓷膜的结合强度和硬度

3.5 本章小结

第4章 阳极PED法钢铁表面陶瓷膜的制备与表征

4.1 Q235表面瓷膜层的制备与表征

4.2 30CrMnSi表面陶瓷膜的制备与表征

4.3 陶瓷膜耐腐蚀性能的电化学评价

4.4 陶瓷膜的结合强度和硬度

4.5 本章小结

第5章 陶瓷膜的耐磨性能

5.1 30CrMnSi表面陶瓷膜的耐磨性能

52 Q235表面陶瓷膜的摩擦系数

5.3 陶瓷膜耐磨耐蚀工艺优化

5.4 本章小结

第6章 陶瓷膜的形成过程分析

6.1 阴极PED过程中陶瓷膜形成过程和生长特点

6.2 阳极PED过程中陶瓷膜生长特点和形成过程分析

6.3 不同基体和不同工艺PED过程的比较

6.4 放电击穿模型

6.5 本章小结

结 论

参考文献

攻读学位期间发表的学术论文

哈尔滨工业大学博士学位论文原创性声明

哈尔滨工业大学博士学位论文使用授权书

致 谢

个人简历