合金化Fe/Ni-Si金属间化合物渗层制备及应用研究

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Fe/Ni-Si金属间化合物具有较高强硬度、高温抗氧化、抗蚀和耐磨等优良的综合性能,为解决该类材料依照常规方法制备的缺陷和脆性大的困难,从拓宽金属间化合物材料的广泛应用出发,考虑作为膜层材料使用时可对基材起到一定的防护作用,提出通过熔盐非电解法在软基钢/镍材表面进行高硬度金属间化合物膜层制备,一方面充分利用基材内部合金元素实现合金化,制备合金化膜层;另一方面尝试在基材表面以电镀的方式引入外部合金源,通过调整电镀层种类和配合顺序来获得性能较优的合金化层,通过考察合金化Fe3Si层在H2SO4、NaCl和NaOH三种介质中的腐蚀行为,全面揭示其钝化膜的半导体性能;对比研究不同合金化Fe/Ni-Si渗层对2Cr13等钢材和镍材表面抗蚀、耐磨性能的影响。得出的主要研究结果包括:(1)在2Cr13和304不锈钢表面制备的渗层是由Cr合金化的Fe3Si及Cr、Ni合金化的Fe3Si金属间化合物层和其下比较疏松多孔的扩散层两部分构成。其中304表面的Cr、Ni合金化Fe3Si层最为致密、缺陷少和厚度大;Fe3Si渗层在10%的H2SO4水溶液中表现出有明显的钝化特性,明显提高了基材的耐蚀性能;在3.5%NaCl溶液中,当温度高于40℃以上时,Fe3Si(304)比同条件下基体表现出较好的耐蚀性,起到了保护基体的作用;而在3.5%NaOH溶液中,Fe3Si(304)的耐蚀性始终不及304基体。(2)Fe3Si(304)表面在H3BO3/Na2B4O7·10H2O缓冲溶液中会形成一层致密的钝化膜层,该钝化膜呈现双层结构,其内层主要由Cr、Fe氧化物(CrO3、FeO)和Ni的单质组成,外层由Cr、Fe氧化物和氢氧化物组成(Cr2O3、CrOOH、Fe2O3、Fe3O4、FeOOH和Fe(OH)3);随着合金元素的增多、成膜电位的升高、Cl-浓度的减小及成膜温度的降低,所成钝化膜膜电阻和电荷传递电阻增大,膜内缺陷杂质态密度减小,钝化膜对基体的保护作用增强,呈现n-p-n型半导体特性,但当加入Cl-时,钝化膜只呈现n-p型半导特性。(3)采用表面电镀Ni/Cu+中性熔盐渗硅复合处理可在2Cr13不锈钢表面制备出含有合金化元素(Cr,Cu)-、(Cr,Cu,Ni)-和(Cr,Ni)-的Fe3Si金属化合物亚层和相应的扩散亚层的渗层结构。所形成的合金化Fe3Si渗层能不同程度地增加了表面硬度,提高了表面耐磨性能,增强基材的抗硫酸溶液腐蚀性能,起到了防护作用,但电镀Ni复合渗硅处理所得渗层的综合性能最优。(4)在纯Ni基体G3镍基合金表面进行熔盐渗硅,所得渗层由内部疏松多孔的扩散层和外层相对致密的硅化物层组成,表面渗层有一定的减摩润滑作用,增强了基体表面的耐磨性能;渗硅试样在10%的H2SO4溶液中的耐蚀性有所降低,但仍具有明显的二次钝化特性和较宽泛的钝化区间。
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