201不锈钢离子渗氮和离子镀TiN复合强化层的耐蚀性

对201不锈钢进行离子渗氮+离子镀TiN复合强化处理。并对复合强化层进行物相分析、截面形貌观察、硬度检测以及电化学腐蚀性能测试。结果表明:复合强化层的外层为厚度1.2μm的致密TiN层，中间为厚度约20μm的渗氮层，向内为基体。复合涂层物相主要为:TiN、Ti、CrN、Ni 3 N、Fe 3 N、Fe 7 C 3。TiN复合涂层在3.5%的NaCl溶液中耐蚀性与201不锈钢基体相当，在1 mol/L的NaOH溶液中的耐蚀性比201基体提高了7倍，在1 mol/L的H 2 SO 4溶液中的耐蚀性比201基体提高了14倍。

201不锈钢(1Cr17Mn6Ni5N)具有耐蚀性强、成型性好、价格低廉等优点，广泛的应用在医药、食品、化工、石油等工业领域中

。但由于存在硬度低(270 HV)，耐磨性能差的缺点，严重限制了其使用范围。离子氮化是奥氏体不锈钢表面强化的有效手段，氮化层虽然可以提高不锈钢表面的硬度与耐磨性，但氮化层中出现两相组织却降低了其耐蚀性。TiN涂层具有硬度高、耐蚀性强等优点，直接在不锈钢基体表面镀膜，会出现膜层易脱落、结合力差等问题。

本文对201不锈钢进行离子渗氮+多弧离子镀TiN复合强化处理，并对复合强化层进行物相分析、截面形貌观察、硬度检测以及电化学腐蚀性能测试。

1试样制备与实验方法

1.1试验材料

试验材料为201不锈钢(1Cr17Mn6Ni5N)，其主要化学成分(质量分数)为:0.15%C，0.75%Si，5.5～7.50%Mn，16.0～18.0%Cr，0.25%N，3.50～5.50%Ni，0.060%P，0.030%S，余量为Fe;试样尺寸:80 mm×20 mm×1 mm。

1.2试验步骤

首先对试样进行离子氮化处理。将试样机械抛光至表面粗糙度R a＜0.8μm，用丙酮进行清洗后置于LDMC-1型离子氮化炉中进行离子氮化，氮化工艺为:温度520℃×6 h，按0.5 L/min的速率通入氨气NH 3，炉内气压2000 Pa。

然后将离子渗氮后的试样进行TiN涂层沉积，该试验在TSU-650磁控溅射及离子镀沉积设备上完成。靶材为纯钛(99.9%)，基体温度为200℃。本底真空度为8×10－4Pa，通入氩气至6 Pa，用－800 V的氩离子清洗基体20 min。镀TiN前，先沉积一层纯钛膜作为过渡层，增加膜基结合力，弧电流70 A，气压0.6 Pa，沉积时间8 min。然后沉积TiN薄膜，工艺参数为:弧电流70 A，弧电压20 V，偏压－200 V，总气压0.8 Pa，氩氮气体比例1∶8，沉积时间为40 min。

1.3性能检测

用Bruker-axs-D8型X射线衍射仪(XRD)进行表面物相分析;用HV-1000型岛津显微硬度计测试TiN复合涂层的显微硬度，载荷25 g，加载时间10 s，测试5个点取平均值。用Jeol/JSM-5610LV型扫描电镜(SEM)观察横截面形貌，放大10000倍测量TiN膜层厚度;用其附带的能谱分析仪(EDS)分析涂层的化学成分;用恒电位法和PS-268A型电化学测量仪进行电化学腐蚀试验，试样工作面积为1 cm 2，以饱和甘汞电极(SCE)作为参比电极，铂电极作为辅助电极，试样为研究电极，参比电极和研究电极之间用盐桥连接，鲁金毛细管距研究电极l～2 mm。对未处理的201不锈钢基体试样(简称基体试样)和离子氮化+多弧离子镀TiN复合处理试样(简称复合处理试样)在质量分数为3.5%NaCl溶液、浓度为1 mol/L NaOH溶液、1 mol/L H 2 SO 4溶液中进行耐腐蚀性能试验，用“四点法”测定自腐蚀电流密度。

2试验结果与讨论

2.1截面形貌和显微组织

图1为经过氮化+离子镀处理后的复合涂层的截面图，由图可见，最外层的TiN膜厚度均匀致密，约为1.2μm，向内是厚度约为20μm的氮化层，两强化层结合紧密，氮化层对TiN涂层起到较好的支撑作用。

2.2表面成分和表面硬度

TiN涂层表面化学成分(质量分数，%)为Ti76.81%，N 23.19%;钛与氮的原子比约为1∶1。经过复合处理后试样的硬度为1360 HV0.025。这是由于薄膜厚度仅有1.2μm，载荷压头前端的变形区扩展到氮化区或者基体，所测的实际是TiN涂层与氮化层和基体的平均硬度。

2.3物相结构

图2所示为X射线衍射分析图谱。由图可见，强化层物相为:TiN、Ti、CrN、Ni 3 N、Fe 3 N、Fe 7 C 3。其中TiN衍射峰在(111)处较强，有择优生长的趋势。同时还有Ti相。这是由于靶源放电时产生的微小液滴。

2.4腐蚀性能检测

本试验主要运用由极化曲线得出的自腐蚀电位E k、致钝电流密度i b、维钝电流密度i p以及相关公式计算出的自腐蚀电流密度i corr和相对腐蚀速度作为评价试样耐腐蚀性能好坏的主要参数。

2.4.1 NaCl溶液中的腐蚀结果及分析

在浓度为3.5%NaCl溶液中测得各试样的极化曲线，分别计算出它们的自腐蚀电流密度i corr，电化学测试结果见表1。

图3是复合处理试样和基体试样在3.5%NaCl溶液中的极化曲线，可以看出，随着电位的升高，201试样的电流密度逐渐减少，当电位升至其自腐蚀电位E k=－342 mV时进入阳极极化，并且电流密度随着电位的继续升高而增大。而复合处理试样的自腐蚀电位E k=－464 mV，高于基体试样，但从电位E=151 mV开始，复合处理试样的电流密度都小于基体试样，说明此时基体试样的腐蚀程度比复合处理试样严重。由自腐蚀电流密度i corr得出的相对腐蚀速度可知，复合处理试样的耐腐蚀性能与基体试样的相当，二者均未出现明显钝化现象。

2.4.2 NaOH溶液中的腐蚀结果及分析

在1 mol/L NaOH溶液中测得各试样的极化曲线，分别计算出它们的自腐蚀电流密度i corr，电化学测试结果见表2。

图4是复合处理试样和基体试样在1 mol/L的NaOH溶液中的极化曲线，由表2可见，基体试样在自腐蚀电位E k=－381 mV时进入阳极极化，并且电流密度随着电位的继续升高而增大。在电位为122 mV时有一个短暂的钝化过程，随后电流密度继续增大，说明其表面的钝化膜开始溶解;复合处理试样的自腐蚀电位虽然低于基体试样，但是其致钝、维钝电流密度以及自腐蚀电流密度都要比基体试样小很多，而且复合处理试样的钝化区电位范围较宽。根据由自腐蚀电流密度i corr得出的相对腐蚀速度，复合处理试样的耐腐蚀性能比基体试样提高了7倍。

2.4.3 H 2 SO 4溶液中的腐蚀结果及分析

在1 mol/L H 2 SO 4溶液中测得各试样的极化曲线，分别计算出它们的自腐蚀电流密度i corr，电化学测试结果见表3。

图5是复合处理试样和基体试样在1 mol/L H 2 SO 4溶液中的极化曲线，结合表3中数据可见:TiN的自腐蚀电位略高于基体试样，其致钝、维钝电流密度以及自腐蚀电流密度也要比基体试样小很多。而且自始至终，同一电位相比，复合处理试样的电流密度都小于基体试样。根据由自腐蚀电流密度i corr得出的相对腐蚀速度，TiN渗镀层耐腐蚀性能比基体试样提高了14倍。

3结论

1)对201不锈钢进行离子渗氮+离子镀TiN复合强化处理，复合强化层的外层为厚度1.2μm的致密TiN层，中间为厚度约20μm的氮化层，向内为基体;

2)复合涂层物相主要为:TiN、Ti、CrN、Ni 3 N、Fe 3 N、Fe 7 C 3;

3)TiN复合涂层在3.5%的NaCl溶液中耐蚀性与201钢基体相当，在1 mol/L的NaOH溶液中的耐蚀性比201钢基体提高了7倍，在1 mol/L的H 2 SO 4溶液中的耐蚀性比201钢基体提高了14倍。