Cr/CrAlSiN涂層海水環境摩擦學性能及耐蝕研究

劉孟奇

（蘭州石化職業技術學院，甘肅 蘭州 730000）

關鍵字：Cr/CrAlSiN；摩擦學性能；電化學腐蝕

隨著科技的發展，CrN基涂層在刀具或工件上應用，提高了工作效率和材料的壽命[1]。海洋的開發和利用離不開好的裝備，鋼結構被大量使用，一般用耐候鋼代替普通鋼，但是在海洋大氣的環境下，耐候鋼并未表現出良好的耐腐蝕性能。不同研究人員通過表面涂層改性處理，對其形成保護層[2-5]。另外，以海水作為機械傳動摩擦副潤滑介質與傳統的油介質相比，在節能環保、可持續發展等方面有著巨大的發展潛力，已成為世界各國競相研究的一大熱點[6-8]。有效的途徑之一是開發在海水環境混合摩擦狀態下均具有良好減摩抗磨功效的先進功能涂層，同時減少材料在服役過程中的腐蝕與磨損的交互作用。因此，文章探討Cr/CrAlSiN涂層在海水環境下的摩擦行為及腐蝕情況。

1 試驗

1.1 涂層的制備

316L基底 (30 mm×20 mm×20 mm)分別在丙酮和乙醇中清洗15min，吹干后放入Hauzer Flexicoat F850多弧離子鍍膜設備的腔體中，加熱至450℃，通過濺射 Cr和AlSi靶 （純度大于99.5%），AlSi靶的質量比為8∶2，同時通入氮氣（99.99%）。在沉積前，在基片上加載-900V的偏壓，由氬離子轟擊蝕刻2min，以去除基體上的氧化層和附著的其他雜質。基底盤以3 r/min的速度旋轉，涂層均勻沉積。

1.1 涂層的測試

采用FEI Quanta FEG 250掃描電子顯微鏡觀察涂層的表面與截面形貌；采用D8 Advance X射線衍射儀（XRD） 對Cr/CrAlSiN涂層的相結構進行測定；磨損試驗采用往復式的滑動接觸的Rtce試驗機 （Rev.1.0.0，USA），在室溫 （17±5） ℃和相對濕度為（60±5）%下進行，摩擦環境為人工海水溶液。

2 結果與討論

2.1 涂層的微觀結果

Cr/CrAlSiN涂層的截面和表面見圖1。圖1(a)Cr/CrAlSiN涂層的截面形貌，呈現出較為致密的柱狀晶結構，涂層厚度大約6.2μm，分別為CrAlSiN 5.1μm、過渡層 Cr 1.1μm。過渡層清晰可見，能有效提高基底與涂層的附著力。圖1（b）為Cr/CrAlSiN涂層的表面形貌，具有靶材局部受熱蒸發熔化濺射沉積在基底上的顆粒，但沒有較大的缺陷，表面相對光滑。通過共聚焦激光掃描顯微鏡測得的表面粗糙度為222 nm。通過XRD圖譜表明Cr/CrAlSiN涂層中存在 {111}、{200}、 {222}衍射峰，對應于面心立方的CrN相，同時，擇優取向為 {111}。Si以非晶態Si3N4相存在。

圖1 Cr/CrAlSiN涂層的截面（a） 與表面形貌（b）

2.2 摩擦與腐蝕性能

圖2（a） 為Cr/CrAlSiN涂層和316L海水環境下的摩擦因數。316L的平均摩擦因數為0.35，Cr/CrAlSiN涂層在海水環境下的平均摩擦因數為0.18，降低了49%。由于Cr/CrAlSiN涂層的表面存在顆粒，在摩擦實驗開始前期摩擦因數出現了波動，1600s之后，處于穩定狀態。從圖2（b）Cr/CrAlSiN涂層的摩擦形貌中可以看出，磨痕表面比較光滑，沒有出現裂紋與剝落，過渡層的設計阻止了裂紋從平行方向沿著界面擴展。主要原因是海水潤滑作用：一方面海水中水分子能吸附在涂層及摩擦配副的表面形成分子層，避免涂層與配副直接接觸；另一方面海水中的某些組分在摩擦過程中容易形成碳酸鈣及氫氧化鎂等產物，起到了潤滑效果[9]。

圖2 （a）Cr/CrAlSiN涂層和316L的海水環境下摩擦因數；（b）涂層海水環境下摩擦形貌

通過對極化曲線擬合，基底和涂層的自腐蝕電位分別為-0.42V、-0.35V，同時自腐蝕電流密度下降了大約2個數量級。圖3為316L和涂層ESI測試后的表面形貌。從圖3（a） （b） 中可以看出316L局部腐蝕的小孔，圖3（c） （d）Cr/CrAlSiN涂層表面并未出現腐蝕小孔，這是由于Cl-對316L基底有較大的破壞作用，吸附在了基底的缺陷位置，與其中的陽離子結合成氯化物，組成無數微小的原電池，更多的活性物質溶解，而涂層是致密的鍍層，有效的降低了腐蝕程度[10]。

3 結語

圖3 316L和Cr/CrAlSiN涂層ESI測試后的表面形貌

1）Cr/CrAlSiN涂層成分有CrN相、AlN相及非晶態Si3N4相， {111}擇優取向尤為明顯。2） 在海水環境下，與316L基底相比，Cr/CrAlSiN涂層的摩擦因數較低，具有良好的耐腐蝕性能。