201不銹鋼表面弧光離子鍍TiN和CrN薄膜的耐蝕性

馬志康，高 原，蔡航偉，王成磊，袁 琳，張 焱，吳煒欽

（桂林電子科技大學 材料科學與工程學院，桂林541004）

TiN薄膜和CrN薄膜不僅具有漂亮的外觀，較高的硬度，還同時具有較好的抗腐蝕性能[1－3]。本工作采用弧光離子鍍設備，在201奧氏體不銹鋼表面沉積TiN和CrN薄膜，通過X射線衍射儀、掃描電鏡、能譜儀以及硬度計分析檢測TiN薄膜和CrN薄膜物相結構、截面形貌、表面成分和硬度，并進行電化學腐蝕性能對比測試，分析了其腐蝕機理。

1 試驗

試驗材料是201不銹鋼面板，主要化學成分（質量分數／%）為：C≤0.15，Si≤0.75，Mn 5.5～7.50，Cr 16.0～18.0，N≤0.25，Ni 3.50～5.50，P≤0.06，S≤0.03，余量為鐵；表面粗糙度Ra＜0.5μm。

1.1 試驗步驟

將不銹鋼切成10mm×10mm的試樣，用丙酮清洗后置于TSU－650磁控濺射及離子鍍沉積設備中。本底真空度至2×10－3Pa，通入氬氣至5Pa，用－800V的氬離子清洗201不銹鋼30 min。靶材為純鈦（99.9%）和純鉻（99.8%），基體溫度都為200℃。鍍膜前，先沉積一層純鈦或純鉻金屬膜作為過渡層，增加膜基結合力，然后分別沉積TiN和CrN薄膜。預鍍和沉積所用的電弧電流、電弧電壓、沉積偏壓是一致的，具體工藝參數見表1。

表1 弧光離子鍍TiN和CrN薄膜的工藝參數

1.2 檢測方法

采用Bruker－axs－D8型X射線衍射儀（XRD）進行表面物相分析；采用HV－1000型上海長方顯微硬度計測試薄膜的顯微硬度，載荷為25g，加載時間10s，檢測5點取平均值。采用Jeol／JSM－5610LV型掃描電鏡（SEM）觀察橫截面形貌，放大1 000倍測量薄膜厚度；用其附帶的能譜分析儀（EDS）分析表面的化學成分；用恒電位法和PS－268A型電化學測量儀進行電化學腐蝕試驗，試樣工作面積為1cm2，以飽和甘汞電極（SCE）作為參比電極，鉑電極作為輔助電極，試樣為研究電極。文中電位若無特指，均相對于SCE。參比電極和研究電極之間用鹽橋連接，魯金毛細管距研究電極1～2mm，掃描速率為60mV·min－1，電位掃描范圍是－1 500～1 500mV[4－6]。對未處理的201不銹鋼試樣，TiN試樣和CrN試樣在質量分數為3.5%試樣NaCl溶液、摩爾濃度為1mol·L－1NaOH溶液和1mol·L－1H2SO4溶液中進行耐腐蝕性能試驗，Tafle直線外推法測定自腐蝕電流密度。

2 結果與討論

2.1 截面形貌和顯微組織

圖1（a）為TiN薄膜的SEM截面形貌。由圖1可見，因為試樣前期經過滲氮處理，滲氮層厚度約20μm，外表面是TiN薄膜，約為1.2μm，兩強化層結合緊密，氮化層對TiN薄膜起到較好的支撐作用[7]。圖1（b）是CrN薄膜的截面形貌，最外層薄膜同樣均勻致密，因CrN薄膜比TiN薄膜具有更好的機械性能，所以比TiN薄膜略厚，約為3μm。

2.2 表面成分和表面硬度

TiN薄膜表面化學成分（質量分數／%）為：Ti 76.81，N 23.19；鈦與氮的原子比約為1∶1。經過復合處理后試樣的硬度為1 360HV0.025。這是由于薄膜厚度僅有1.2μm，載荷壓頭前端的變形區擴展到氮化區，所測得的硬度實際是TiN薄膜層與氮化層的綜合硬度。CrN薄膜表面化學成分（質量分數／%）為：Cr 86.55，N 12.78；鉻與氮的原子比約為2∶1。表面硬度為1 868HV0.025。這可能是由于CrN薄膜比TiN薄膜厚，載荷壓頭并沒有擊穿薄膜層，基本可以表征薄膜硬度。

圖1 兩種薄膜的SEM截面形貌

2.3 物相結構

圖2 所示為兩種薄膜的X射線衍射分析圖譜。由圖2（a）可見，強化層物相主要為TiN，鈦和因前期經過離子氮化形成的Fe3N。其中TiN衍射峰在（111）處較強，有擇優生長的趨勢。由圖2（b）可見，表面強化層的物相有CrN，Cr2N和鉻，以CrN為主，擇優取向為（200）和（110），含有部分的Cr2N（110），和少量因靶源放電時產生的純鉻相微小液滴。

圖2 兩種薄膜的XRD圖

2.4 腐蝕性能檢測

2.4.1 在NaCl溶液中的腐蝕

圖3為201不銹鋼試樣、TiN試樣和CrN試樣在質量濃度為3.5%NaCl溶液中測得的極化曲線。其電化學參數擬合結果見表2。可以看出，當201不銹鋼試樣的自腐蝕電位Ecorr＝－342mV時進入陽極極化；而TiN試樣的自腐蝕電位Ecorr＝－464mV，低于201不銹鋼試樣；CrN試樣的自腐蝕電位接近TiN試樣，但是極化曲線和201不銹鋼試樣的極化曲線幾乎相似，在電位Ecorr＝78mV之前，CrN試樣的電流密度都小于TiN試樣。綜合三者的自腐蝕電位Ecorr和自腐蝕電流密度Jcorr可知，CrN試樣和TiN試樣在NaCl溶液中的耐腐蝕性能并沒有明顯提高，且均未出現明顯鈍化現象。

圖3 3種試樣在3.5%的NaCl溶液中的極化曲線

表2 試樣在3.5%的NaCl溶液中的腐蝕結果

2.4.2 在NaOH溶液中的腐蝕

圖4為201不銹鋼試樣、TiN試樣和CrN試樣在1mol·L－1NaOH溶液中測得的極化曲線。其電化學參數擬合結果見表3。由表3可見，201不銹鋼試樣在自腐蝕電位Ecorr＝－754mV時進入陽極極化，并且在電位為122mV時有一個短暫的鈍化過程；TiN試樣的自腐蝕電位雖然低于201不銹鋼試樣，但是其致鈍、維鈍電流密度以及自腐蝕電流密度都要比201不銹鋼試樣小很多；CrN試樣的自腐蝕電位Ecorr＝－461mV，明顯高于201不銹鋼和TiN試樣，雖然沒有明顯的致鈍過程，但是維鈍電流密度始終維持在一個較低的值Jp＝0.028 2mA·cm－2。根據由自腐蝕電流密度Jcorr得出的相對腐蝕速率，201不銹鋼的相對腐蝕速率略快于TiN試樣，并且TiN試樣的相對腐蝕速率是CrN試樣的12倍。

圖4 3種試樣在1mol·L－1的NaOH溶液中的極化曲線

表3 在1mol·L－1的H2SO4溶液中的腐蝕結果

2.4.3 在H2SO4溶液中的腐蝕

圖5為201不銹鋼試樣、TiN試樣和CrN試樣在1mol·L－1H2SO4溶液中測得的極化曲線。其電化學參數擬合結果見表4。可以看出，TiN試樣的自腐蝕電位略高于201不銹鋼試樣，其致鈍、維鈍電流密度以及自腐蝕電流密度也明顯小于201不銹鋼試樣。CrN試樣自腐蝕電位Ecorr＝－338mV，高于TiN試樣，致鈍、維鈍電流密度略大于TiN試樣，但是自腐蝕電流密小于TiN試樣。根據由自腐蝕電流密度Jcorr得出的相對腐蝕速率，TiN試樣的相對腐蝕速率和CrN試樣相近，分別是201不銹鋼試樣的1／20和1／26。

圖5 3種試樣在1mol·L－1的H2SO4溶液中的極化曲線

表4 在1mol·L－1的H2SO4溶液中的腐蝕結果

3 結論

（1）通過弧光離子鍍技術在201不銹鋼表面分別形成了厚度為1.2μm的致密TiN薄膜和厚度為3μm的致密CrN薄膜。

（2）201不銹鋼、TiN薄膜和CrN薄膜，三者在3.5%的NaCl溶液中耐蝕性相當。

（3）在1mol·L－1的 NaOH 溶液中，TiN薄膜的耐蝕性約是201不銹鋼的2倍，CrN薄膜的耐蝕性相比于201不銹鋼提高了24倍，是TiN薄膜的12倍。

（4）在1mol·L－1的 H2SO4溶液中，TiN薄膜和CrN薄膜的耐蝕性相比于201不銹鋼分別提高20倍和26倍，CrN薄膜的耐蝕性是TiN薄膜的1.34倍。

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