304不锈钢表面Cr-N涂层制备及耐磨耐腐性能研究

摘要

304不锈钢是一种通用性的不锈钢材料，是应用最为广泛的一种铬-镍不锈钢，作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械特性，但也具有硬度低、耐磨性差、钝化层影响导电性、氢脆和间隙腐蚀的缺点。而氮化铬涂层具有良好的硬度、耐磨、耐蚀及抗高温氧化性等性能，同时它还具有优良的热和电传导性能，对材料表面起到很好的机械及化学保护作用，因而在304不锈钢表面进行Cr-N涂层的制备可以有效的提高304不锈钢的耐磨、耐腐蚀性能。无论作为摩擦件或质子交换膜燃料电池(PEMFC)的金属双极板材料，都可以有助于提高304不锈钢的通用性、实用性和经济性.
　　本文采用射频反应磁控溅射的实验方法在磨光304不锈钢基片及氮化不锈钢基片上制备本多晶Cr-N涂层。通过SEM、XRD、显微维氏硬度计、接触角测量仪以及金相显微镜对涂层进行表征，通过摩擦磨损试验机和电化学腐蚀设备研究了不同衬底以及工艺参数（氮气流量）对涂层耐磨性能和Cr2N涂层对氮化304不锈钢耐腐蚀性能的影响。结论如下：
　　(1)关于Cr-N涂层的制备，随着氮气流量的增加，晶粒由三棱锥结构向胞状颗粒结构转变，涂层表面团聚颗粒尺寸有减小的趋势，Cr-N涂层由Cr与Cr2N两相向单相Cr2N再向Cr2N与CrN双相结构转变，当氮气流量继续增加后，由单相CrN组成。
　　(2)关于Cr-N涂层的耐磨性能，在Ar28N2、Ar25N5和Ar18N12三种气氛条件下，在氮化304不锈钢上制备的涂层耐磨性能相比在磨光不锈钢上的有所提高。其中在氮化不锈钢上，Ar18N12气氛条件下制备的CrN涂层，摩擦系数0.58，相比之下有了一定幅度提高，而且磨痕较窄，其耐磨性能最佳。
　　(3)关于Cr-N涂层的耐腐性能，基于动态电位极化腐蚀测试结果，在通入H2和O2的环境中，腐蚀电阻大小分别是Cr2N＞304不锈钢裸片和304不锈钢裸片＞Cr2N。静态电位极化腐蚀测试显示在模拟阳极条件中，304不锈钢（Cr2N涂层）展现了比304不锈钢裸片低的极化电流密度，但是随着时间增长，电流密度变高了，因为腐蚀已经在微孔洞区域开始了。在模拟阴极环境中，由于在微孔洞区域的不锈钢基底已经发生钝化，因此提供了高的腐蚀保护，在涂层中的微孔洞的负面影响变小了。304不锈钢样片（Cr2N涂层）和304不锈钢裸片显示了相似的腐蚀电流密度值。本实验磁控溅射所制备的Cr2N涂层样片，由于有着更好的腐蚀电阻，可以替代不锈钢裸片，作为一种双极板材料。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 前言

1．2 CrNx薄膜的研究进展简介

1．2．1 CrNx薄膜作为耐磨涂层的研究进展

1．2．2 CrNx薄膜改性不锈钢双极板的研究进展

1．3 磁控溅射的基本原理及特点

1．3．1 基本原理

1．3．2 磁控溅射的分类

1．3．3 磁控溅射的特点

1．4 薄膜的沉积过程

1．4．1 溅射的成膜过程

1．4．2 影响薄膜生成的因素

1．5 研究目的及主要内容

第2章 实验设备部分

2．1 实验仪器设备

2．1．1 磁控溅射系统

2．1．2 摩擦磨损试验机

2．1．3 电化学工作站

2．2 Cr-N涂层制备实验过程

2．3 薄膜表征

2．3．1 X-射线衍射仪

2．3．2 扫描电子显微镜

2．3．3 接触角测量仪

2．3．4 显微维氏硬度计

2．3．4 金相显微镜

2．4 本章小结

第3章 不同氮气流量对Cr-N涂层表面形貌和相组成的影响

3．1 第一组Cr-N涂层制备实验的涂层结构研究

3．2 第二组Cr-N涂层制备实验的涂层结构研究

3．2．1 Cr-N涂层的表面形貌分析

3．2．2 Cr-N涂层表面晶粒大小分析

3．2．3 Cr-N涂层的晶体结构分析

3．3 本章小结

第4章 Cr-N涂层耐磨耐腐性能研究

4．1 Cr-N涂层耐磨性能研究

4．1．1 摩擦实验样品制备及硬度测试

4．1．2 以磨光不锈钢为基底样片的摩擦系数-时间曲线分析

4．1．3 以磨光不锈钢为基底样片的磨痕形貌分析

4．1．4 以氮化不锈钢为基底样片的摩擦系数-时间曲线分析

4．1．5 以氮化不锈钢为基底样片的磨痕形貌分析

4．2 Cr-N涂层耐腐性能研究

4．2．1 腐蚀实验样品制备及水接触角测试

4．2．2 动态电极极化行为讨论

4．2．3 静态电极极化行为讨论

4．2．4 静态电极极化腐蚀金相形貌

4．3 本章小结

第5章 结论与展望

5．1 结论

5．2 展望

参考文献

致谢