低碳钢液相等离子体电解B+...+N共渗层的摩擦电化学行为_王彬.pdf

表面技术 第 52 卷 第 6 期 80 SURFACE TECHNOLOGY 2023 年 6 月 收稿日期：20220504；修订日期：20221026 Received：2022-05-04；Revised：2022-10-26 基金项目：山西省高等学校科技创新项目（2019L0389）；国家自然科学基金（51671032，51071031）Fund：Technology and Innovation Fund of Shanxi Institution of Higher Education(2019L0389);National Natural Science Foundation of China(51671032,51071031)作者简介：王彬（1987），男，博士，副教授，主要研究方向为表面工程。Biography：WANG Bin(1987-),Male,Doctor,Associate professor,Research focus:surface engineering.通讯作者：薛文斌（1968），男，博士，教授，主要研究方向为金属材料表面改性。Corresponding author：XUE Wen-bin(1968-),Male,Doctor,Professor,Research focus:surface modification of light metal materials.引文格式：王彬,周茜,高川力,等.低碳钢液相等离子体电解 B+C+N 共渗层的摩擦电化学行为J.表面技术,2023,52(6):80-87.WANG Bin,ZHOU Qian,GAO Chuan-li,et al.Tribo-Electrochemical Characteristics of PEB/C/N Layer on Low-Carbon SteelJ.Surface Technology,2023,52(6):80-87.低碳钢液相等离子体电解 B+C+N 共渗层的摩擦电化学行为 王彬1，周茜2,3，高川力2,3，李惠2,3，金小越3，薛文斌2,3（1.山西农业大学 基础部，山西 太谷 030801；2.北京师范大学 核科学与技术学院射线束技术教育部重点实验室，北京 100875；3.北京市科学技术研究院 辐射技术研究所，北京 100875）摘要：目的目的 研究液相等离子电解硼碳氮三元共渗处理（PEB/C/N）对 Q235 低碳钢摩擦电化学行为的影响。方法方法 采用 PEB/C/N 方法在 Q235 低碳钢表面制备共渗层，通过电化学的开路电位测试和摩擦磨损实验评估Q235 钢基体和 PEB/C/N 试样在 NaCl（质量分数 3.5%）腐蚀介质中与 Si3N4球对磨的摩擦电化学行为。结果结果 在电压为 280 V 的 PEB/C/N 共渗中，试样周围等离子体区的电子温度稳定在 3 500 K 左右。经过PEB/C/N 处理 30 min 后，生成的共渗层包括 15 m 主要由 Fe2B 相组成的表面渗层和 40 m 的过渡层。在摩擦过程中，PEB/C/N 试样的开路电位保持在200300 mV 之间，且波动较小，明显高于 Q235 钢基体。同时，PEB/C/N 试样的磨损率为 3.88104 m3/(Nm)，只是钢基体磨损率的 1/3。在 NaCl 腐蚀介质中，由于腐蚀和磨损的交互作用，使 Q235 钢基体产生了塑性应变位错和局部的微裂纹，因此磨损进一步增加，磨损机制主要为疲劳磨损和磨粒磨损。PEB/C/N 试样的共渗层有效阻挡了 Cl对基体的腐蚀，磨损机制主要为磨粒磨损。结论结论 PEB/C/N 试样在 NaCl 腐蚀介质中的耐腐蚀和耐磨性能得到明显提升。关键词：低碳钢；等离子体电解；硼碳氮共渗；开路电位；耐腐蚀性；耐磨性 中图分类号：TG156.8 文献标识码：A 文章编号：1001-3660(2023)06-0080-08 DOI：10.16490/ki.issn.1001-3660.2023.06.008 Tribo-Electrochemical Characteristics of PEB/C/N Layer on Low-Carbon Steel WANG Bin1,ZHOU Qian2,3,GAO Chuan-li2,3,LI Hui2,3,JIN Xiao-yue3,XUE Wen-bin2,3(1.Department of Basic Science,Shanxi Agricultural University,Shanxi Taigu 030801,China;2.Key Laboratory of Beam Technology and Materials Modification of Ministry of Education,College of Nuclear Science and Technology,Beijing Normal University,Beijing 100875,China;3.Institute of Radiation Technology,Beijing Academy of Science and Technology,Beijing 100875,China)ABSTRACT:Plasma electrolytic boriding(PEB)technology is an effective way to form iron borides on the steel surface.第 52 卷 第 6 期 王彬，等：低碳钢液相等离子体电解 B+C+N 共渗层的摩擦电化学行为 81 Compared with the single boriding process,the multi-element boriding process can further effectively reduce the hardness gradient by forming a transition layer containing C and N elements between the boride layer and the steel substrate,which plays a significant role in improving the performance of the diffusion layer.At present,the evaluation of the corrosion resistance of the boride layer on metal surface is mostly carried out under static corrosion conditions.However,the metal workpiece is more vulnerable due to corrosion and friction interaction in corrosive medium and long-term mechanical operation environment,so studying the tribo-electrochemical behavior of metal in corrosive medium environment is critical.In this work,the plasma electrolytic borocarbonitriding process(PEB/C/N)was carried out in an aqueous solution containing 25wt.%borax,10wt.%glycerin and 3wt.%carbamide.The anode and cathode were set to be the stainless steel bath and the Q235 low-carbon steel sample,respectively.The constant negative bias voltage was increased to 280 V,and the whole processing time was 30 min.The morphology,composition distribution and phase composition of the borocarbonitriding layer were studied.The tribo-electrochemical behavior of Q235 steel substrate and PEB/C/N sample against Si3N4 ball in 3.5wt.%NaCl solution was evaluated by electrochemical open-circuit potential(OCP)tests and tribological tests.The results showed that the electron temperature in the plasma zone around the sample was stable at 3 500 K in the PEB/C/N process at 280 V.After the PEB/C/N treatment for 30 min,the borocarbonitriding layer contained a 15 m surface layer which was mainly composed of Fe2B phase and a 40 m transition layer.In friction,the open-circuit potential of PEB/C/N sample remained between 200 mV and 300 mV with a small fluctuation,which was obviously higher than the Q235 steel substrate.The corrosion resistance of the PEB/C/N sample was significantly improved.Meanwhile,the wear rate of the PEB/C/N sample was 3.88104 m3/(Nm),which was only 1/3 of the Q235 steel substrate,and the wear resistance of the PEB/C/N sample was obviously improved.In the NaCl solution,dislocation increment and migration in plastic deformation occurred on bare Q235 steel due to the interaction of corrosion and wear.There were intensive parallel furrows and obvious fatigue spalling on the wear surface of the Q235 steel substrate,so the wear mechanism of Q235 steel substrate was mainly fatigue and abrasive wear.However,the borocarbonitriding layer of the PEB/C/N sample effectively prevented the corrosion of Cl on the Q235 substrate.Therefore,the surface damage of the PEB/C/N sample was mainly caused by friction and wear factors in tribo-electrochemical experiments.When the local area of the surface boride layer was destroyed by the Si3N4 friction pair,some abrasive particles with high hardness were ground off,and the wear surface of the PEB/C/N sample presented sharp and narrow furrows,so the wear mechanism of the PEB/C/N sample was mainly abrasive wear.KEY WORDS:low-carbon steel;plasma electrolysis;borocarbonitriding;open-circuit potential;corrosion resistance;wear resistance 通过渗碳、渗氮和渗硼等化学热处理方法，可以改变金属材料的化学成分和微观结构，提高材料的性能1-3。与渗碳和渗氮相比，渗硼技术可以在金属表面获得硬度更高、耐蚀性更好、抗氧化性更好的渗硼层，适合在摩擦和腐蚀环境中使用3。在金属表面可进行气体、固体、电化学和等离子体等渗硼处理4-10。富玉竹等6对高钒耐磨钢在温度 950、保温时间5 h 条件下进行固体粉末渗硼处理，生成的渗硼层表面硬度可达到 1 822HV。MrquezHerrera 等9对ASTM A36 钢进行膏剂渗硼处理后，生成了主要由单一 Fe2B 相组成的渗硼层，研究发现，在 900、4 h 最优工艺条件下，渗硼层在 NaCl（质量分数3.5%）溶 液中的耐蚀性优于钢基体。近年来，Kusmanov 等11、Taheri 等12、Bjar 等13、Tavakoli等14、Belkin 等15国外学者研究发现，运用新兴的液相离子体电解渗硼（Plasma Electrolytic Boriding，PEB）技术对钢铁表面进行处理后，可以在较短时间内获得致密且厚度较大的渗硼层，明显提升了钢铁的耐腐蚀和耐摩擦性能。与单一渗硼处理不同，多元 C、N、B 共渗处理可以有效降低渗硼层的硬度梯度和脆性，对提高渗硼层的性能有很大作用16-21。目前，针对金属表面渗硼层的耐腐蚀性能评估大多在静态腐蚀条件下进行11-23。如 Erdogan 等23研究了在 HCl（6%）溶液中采用粉末渗硼处理 GS18 和GS32 齿轮钢的腐蚀行为，结果表明，渗硼后齿轮钢的耐蚀性比未渗硼齿轮钢的耐蚀性提高了 46 倍。在实际应用中，金属工件在腐蚀介质和长时间的机械作业环境中更易受到腐蚀与摩擦交互作用的破坏，因此研究金属在腐蚀介质环境中的摩擦电化学行为具有重要的意义。翟文杰等24-25研究了 7A04 铝合金和TC4 钛合金表面微弧氧化膜在不同介质中的摩擦电化学行为。目前，国内外针对金属表面渗硼层在不同腐蚀介质中的摩擦电化学行为的研究较少。文中在电压 280 V 和处理时间 30 min 下，采用82 表 面 技 术 2023 年 6 月 液相等离子体电解硼碳氮多元共渗（PEB/C/N）方法对 Q235 低碳钢进行处理，研究 Q235 低碳钢表面硼碳氮共渗层的形貌、组织结构和成分分布，评估 Q235钢基体和 PEB/C/N 试样在 NaCl（质量分数 3.5%）腐蚀介质中的摩擦电化学行为。1 试验 主要材料为 Q235 低碳钢，其名义成分：C 的质量分数为 0.14%0.22%，Mn 的质量分数为 0.35%0.65%，Si 的质量分数0.30%，S 的质量分数0.055%，P 的质量分数0.045%，余量为 Fe。试样尺寸为 55 mm16 mm1.5 mm。在 PEB/C/N 处理前，将所有试样经 600#2000#砂纸逐级研磨，然后在超声波清洗仪中清洗 15 min，以消除试样表面的污染物。电解液由硼砂（质量分数 25%）+甘油（质量分数 10%）+尿素（质量分数 3%）组成。将 Q235 低碳钢试样和不锈钢板分别设置为阴极和阳极，并连接40 kW 的直流脉冲电源。将电源频率设置为 150 Hz，脉宽为 3 ms。在电压 280 V 下处理 30 min 后，用去离子水清洗 Q235 试样。在 PEB/C/N 共渗过程中，自动采集电压和电流随时间的变化曲线，并用 Avantes AvaSpec3648 光纤光谱仪采集发射光谱，同时采用双谱线法26-28计算等离子体放电区的电子温度。用 Hitachi S4800 场发射扫描电子显微镜（SEM）观察 PEB/C/N 处理后试样的表面形貌和截面微观结构。用粗糙度轮廓仪（MMDCERM3600）测量 Q235 钢基体和 PEB/C/N试样的表面粗糙度。用辉光放电光谱仪（GDOES,Spectruma GDA750HR）检测 PEB/C/N 共渗层成分的深度分布，并通过 X 射线衍射（XRD，X PERT PRO MPD）检测和确定 PEB/C/N 试样的相组成。如图 1 所示，摩擦电化学实验在电化学往复摩擦磨损试验机（兰州中科凯华公司，MSR2T）上进行。选用 6 mm 的 Si3N4陶瓷球为摩擦副，将加载载荷设置为 5 N，往复滑动长度为 5 mm，往复速度为 260次/min，摩擦时间为 20 min，试验在室温下进行。在摩擦试验过程中自动记录摩擦因数随时间的变化情况。在进行摩擦电化学实验前，将 Q235 低碳钢和PEB/C/N 处理的试样切割成 25 mm16 mm1.5 mm的小块，用 704 硅橡胶对试样表面进行封装处理，保留暴露面积 1 cm2。将封装后的试样安装到溶液池中，并在溶液池中盛放 250 mL 的 NaCl（质量分数 3.5%）溶液，让试样在溶液中静置 1 h，使试样表面电势达到稳态平衡。然后，将电化学实验采用的三电极（工作电极为试样，参比电极为饱和甘汞电极，辅助电极为铂丝）连接到电化学工作站（CS300），并用 CorrTest软件测量试样在摩擦前 5 min、摩擦 20 min 和中止摩擦后 10 min 的开路电位（Open Circuit Potential，OCP）随时间的变化曲线。在摩擦电化学实验结束后，利用粗糙度轮廓仪（MMDCERM3600）测量磨痕截面的宽度、深度和截面积，根据式（1）计算磨损率，以此来评估 PEB/C/N 共渗层的耐磨性。WR=WS/(FNS)(1)式中：WR为磨损率，m3/(Nm)；WS为磨损体积，m3；FN为载荷，N；S 为滑动距离，m。用 Hitachi S4800 场发射扫描电镜（SEM）观察磨痕形貌，并用能谱仪（EDS）分析磨痕的成分变化情况。图 1 摩擦电化学试验装置示意图 Fig.1 Schematic diagram of tribo-electrochemical test apparatus 2 结果及分析 2.1 PEB/C/N 过程中的电流电压变化和电子温度计算 在 PEB/C/N 共渗过程中，Q235 低碳钢的电压和电流随时间的变化情况如图 2 所示。在共渗初始阶段（050 s），试样表面的电流随着电压的增加呈线性增大趋势，最高可达 18 A，在此范围内符合欧姆定律。基于焦耳热效应，试样周围的电解质发生了局部沸腾，并在试样周围形成气膜（Vapor Gaseous Envelope，VGE）。当电压逐渐升高时，该气膜会被击穿，并发生火花放电。随着气膜厚度的增加，在样品四周产生了一个稳定、持续的等离子体区，导致试样与电解液分离，所以在 50 s 后电流开始急剧下降，从 18 A 降至 7.5 A 左右，并稳定下来。在 PEB/C/N 过程中，电子温度（Te）是描述等离子体热运动状态的重要参数。在等离子体电解渗过程中，放电区处于局部热平衡状态27-28。采集 280 V 条件下 PEB/C/N 共渗过程中的发射光谱，并得到等离子体区电子温度随时间的变化曲线，如图 3 所示。在初始阶段，试样周围放电区的电子温度随着火花放电程度的加剧不断上升，在 50 s 内迅速增至 4 000 K。在气膜放电达到稳定状态后，电子温度也随之稳定在3 500 K 左右。在 PEB/C/N 共渗过程中，试样周围的第 52 卷 第 6 期 王彬，等：低碳钢液相等离子体电解 B+C+N 共渗层的摩擦电化学行为 83 等离子体区保持在一个较高的温度范围，这一方面有助于电解液中硼砂、甘油和尿素有足够的能量发生分解，并产生高浓度的活性 B、C、N 粒子；另一方面，活性粒子在高温、高压和高电场影响下被不断注入试样表层，提高了 B、C、N 活性粒子在 Q235 低碳钢中的扩散速率，从而在试样表面迅速生成共渗层。图 2 在 280 V 条件下 PEB/C/N 共渗过程的 电压和电流随时间的变化曲线 Fig.2 Dependence of voltage and current on time in PEB/C/N process at 280 V 图 3 在 280 V 条件下 PEB/C/N 共渗过程中 放电区的电子温度随时间的变化曲线 Fig.3 Dependence of plasma electron temperature on discharge time in PEB/C/N process at 280 V 2.2 PEB/C/N 试样的表面和截面组织结构 在 280 V 下经过 30 min PEB/C/N 共渗处理后Q235 低碳钢试样的表面形貌如图 4 所示。用粗糙度仪测量其表面粗糙度为 1.43 m，与未渗硼处理的Q235 低碳钢基体的表面粗糙度（0.09 m）相比明显增加。从图 4 中可以观察到，PEB/C/N 试样表面存在大量由强烈的火花放电刻蚀产生的颗粒状或棒状的物质，表面刻蚀物质的数量和体积随着处理时间的增加而增加，并使其表面粗糙度增大。由于表面刻蚀物质容易被打磨掉，所以将之称为表面疏松层。图 4 在 280 V 条件下 PEB/C/N 处理 30 min 后 试样的表面形貌 Fig.4 Surface morphology of PEB/C/N sample treated at 280 V for 30 min 在 280 V 条件下，经过 30 min PEB/C/N 处理后，试样的截面组织形貌和 GDOES 成分深度分布如图 5所示。如图 5a 所示，PEB/C/N 试样的共渗层主要包括 15 m 的表面渗层和 40 m 的过渡层，其中渗硼层致密且均匀，未产生明显的裂纹和孔洞。如图 5b 所示，在表面渗层中 B 的含量明显高于过渡区，试样表面的 C 含量和 N 含量也较高，O 含量和 H 含量的变化主要来自电解液的水解反应。如图 6 所示，经PEB/C/N 处理后，试样主要包括 Fe2B 相及少量的Fe2O3、Fe3C、BN 相。说明在等离子体 PEB/C/N 过程中，B、C 和 N 等元素扩散进入低碳钢基体内部，图 5 在 280 V 条件下 PEB/C/N 处理 30 min 后试样的截面形貌和 GDOES 成分深度分布 Fig.5 Ross-sectional morphology and GDOES composition depth profiles of PEB/C/N sample treated at 280 V for 30 min:a)cross-sectional morphology;b)GDOES distribution 84 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 6 在 280 V 条件下 PEB/C/N 处理 30 min 后试样的 XRD 图谱 Fig.6 XRD patterns of PEB/C/N sample treated at 280 V for 30 min 形成了相应的相成分。结合图 56 可知，表面渗层主要由 Fe2B 相组成，试样表面的疏松层主要由铁的氧化物、碳化物、氮化物等组成。2.3 摩擦过程中的电化学行为 在 NaCl（质量分数 3.5%）溶液中摩擦时，Q235低碳钢基体和 PEB/C/N 试样的开路电位（OCP）随时间的变化情况如图 7 所示。如图 7a 所示，在往复摩擦未开始的 5 min 浸泡时间内，Q235 钢基体的电位保持在 0 mV 左右。当往复摩擦开始并加载载荷的瞬间，Q235 基体的开路电位急剧降至400 mV。这主要是因为在 Si3N4 摩擦副与低碳钢基体对磨时，钢基体表面的钝化膜遭到破坏，不断有新鲜的活性表面暴露于 NaCl 腐蚀介质中；活性的钢基体与不断钝化的表面形成了电阻耦合作用下的微观电池，加速了Q235 低碳钢的腐蚀。在 20 min 的往复摩擦期间，随着摩擦的进行，Q235 钢基体的 OCP 电位发生了较大的波动。这是因为在载荷 5 N 作用下，持续的往复摩擦使 Q235 钢基体表面的钝化膜来不及完全修复，整 个过程为活化溶解与钝化修复的动态循环。在摩擦结束后 10 min，开路电位先上升，再下降，最后慢慢恢复到摩擦前的电位，表明钢基体表面的钝化膜经历了一个动态的修复过程。不同于 Q235 低碳钢基体，PEB/C/N 试样在测试过程中的 OCP 电位保持在200300 mV 这个较小的电位范围内。如图 7b 所示，PEB/C/N 试样在摩擦开始前 5 min的开路电位比 Q235基体的开路电位低。因为 PEB/C/N 试样表面有一层疏松层（图 4），它的表面粗糙度比光滑 Q235 钢基体的表面粗糙度高，所以在 NaCl 溶液中 PEB/C/N 试样的自腐蚀电位比低碳钢基体的自腐蚀电位稍低。当开始进行往复摩擦时，摩擦副磨掉了表面的疏松层，露出表面致密的渗硼层，当摩擦副接触渗硼层时，开路电位明显上升。当摩擦持续 10 min 后，开路电位从稳定状态慢慢下降。这是因为持续的摩擦导致试样表面接触面积增大，主要由 Fe2B 相组成的表面渗层出现了局域损坏，但整体波动较小，说明共渗层对钢基体具有明显的保护作用，PEB/C/N 试样的耐腐蚀性能得到明显提升。2.4 腐蚀与摩擦交互作用下的摩擦性能 Q235低碳钢基体和PEB/C/N试样在载荷5 N下，以及 NaCl（质量分数 3.5%）溶液中与 Si3N4球对磨的摩擦因数随时间的变化曲线如图 8 所示。从图 8 可以看出，在摩擦开始时高硬度的摩擦副使 Q235 钢基体表面受到较大程度破坏，摩擦因数迅速升至 0.65；在磨损的犁削和应力作用下，磨损表面产生了塑性应变位错和局部微裂纹，这使得反应表面处于高能态，提高了磨损表面的腐蚀活性，在磨痕内外形成“应变差电池”，加速了腐蚀速率。另外，在往复摩擦和电化学腐蚀的交互作用下，在摩擦副接触区逐渐生成了均匀的腐蚀钝化层，起到了一定的润滑作用，所以摩擦因数未出现较大波动；在摩擦 3 min 后，Q235 低碳钢基体的摩擦因数稳定在 0.7 附近。PEB/C/N 试样 图 7 在 NaCl（质量分数 3.5%）溶液中摩擦时开路电位随时间的变化曲线 Fig.7 Open-circuit potential curve with time during friction process in 3.5wt.%NaCl solution:a)Q235 steel substrate;b)PEB/C/N sample 第 52 卷 第 6 期 王彬，等：低碳钢液相等离子体电解 B+C+N 共渗层的摩擦电化学行为 85 图 8 NaCl 腐蚀介质中 Q235 钢基体和 PEB/C/N 试样与 Si3N4球对磨的摩擦因数随时间的变化曲线 Fig.8 Typical friction coefficients vs.wear time against Si3N4 ball for Q235 steel substrate and PEB/C/N sample in NaCl solution 在整个摩擦过程中的摩擦因数比 Q235 低碳钢基体的摩擦因数低，且呈缓慢增大趋势。说明在 NaCl（质量分数 3.5%）腐蚀介质中，PEB/C/N 试样的耐摩擦性能得到明显提升。Q235低碳钢基体和PEB/C/N试样在载荷5 N下，以及 NaCl（质量分数 3.5%）溶液中与 Si3N4球对磨20 min 后的磨痕截面轮廓如图 9 所示，通过计算得到的磨损率如表 1 所示。结果表明，PEB/C/N 试样的磨痕宽度、深度和面积都比 Q235 钢基体的小很多。其中，Q235 钢基体的磨痕深度达到 14.02 m，PEB/C/N 图 9 NaCl 腐蚀介质中 Q235 钢基体和 PEB/C/N 试样与 Si3N4球对磨的磨痕截面轮廓 Fig.9 Wear track cross-sectional profiles against Si3N4 ball for Q235 steel substrate and PEB/C/N sample in NaCl solution 试样的磨痕深度仅为 6.15 m。如图 5 所示，PEB/C/N试样中主要由 Fe2B 相组成的表面渗层的厚度约为15 m，说明在表面渗层的保护作用下，摩擦副未接触钢基体。从磨损率结果可知，Q235 钢基体和PEB/C/N 试样的磨损率分别为 1.10105 m3/(Nm)和3.88104 m3/(Nm)，PEB/C/N 试样的磨损率只有钢基体磨损率的 1/3，说明 PEB/C/N 试样在 NaCl 腐蚀介质中的耐磨损性能得到明显提升。Q235 低碳钢基体和 PEB/C/N 试样在 NaCl（质量分数 3.5%）溶液中与 Si3N4球对磨 20 min 后的磨痕形貌如图 10 所示，载荷为 5 N。对应 Q235 钢基体和PEB/C/N 试样的磨痕表面和散落的白色磨粒 EDS 分析结果如表 2 所示。由图 10a 可知，Q235 钢基体的磨痕表面有密集的平行犁沟，在磨痕边缘位置出现明显的疲劳剥落现象，在磨痕两侧也有因严重磨损而堆积的钢基体磨屑。如图 10c 所示，PEB/C/N 试样的磨痕表面未出现较多的白色颗粒，磨痕边缘也未出现大量磨屑堆积的现象。从磨痕放大形貌图（图 10bd）可以看出，Q235 钢基体的磨痕表面散落着很多白色的磨粒团簇。由 EDS 分析（表 2）可知，白色磨粒的主要成分为 O 和 Fe。这是因为钢基体在电化学溶解的作用下，Fe 离子溶出后继续在磨痕表面发生氧化，生成了铁的氧化物。在 PEB/C/N 样品的磨痕表面上仅发现少量微小的白色磨粒，EDS 分析显示白色磨粒和磨痕区域的 O、Na、Cl 的含量明显比钢基体的少得多。这主要是因为在 PEB/C/N 试样表面的渗层具有较高的显微硬度，可以减少与 Si3N4摩擦副对磨过程中表面的磨损，同时共渗层很好地阻挡了 Cl对基 体的腐蚀。在摩擦电化学试验中，Q235 钢基体磨痕表面持续不断地形成腐蚀塑化层，使得磨球与钢基体的相对滑动更容易，所以磨痕表面相对平坦。另外，动态腐蚀与磨损的交互作用增加了 Q235 钢基体微裂纹的成核率，磨痕表面在附加拉应力和外应力的作用下促进了塑性变形的位错增值和迁移，从而产生了阳极溶解型的鱼鳞状腐蚀形貌，磨损机制主要为疲劳磨损和磨粒磨损。对于 PEB/C/N 试样，因为 Si3N4摩擦副破坏了主要由 Fe2B 相组成的表面渗层的局部区域，磨掉的磨粒的硬度较高，在切削作用下使 PEB/C/N 试样磨痕表面呈现出尖锐和细窄的犁沟，磨损机制主要为磨粒磨损。表 1 Q235 钢基体和 PEB/C/N 试样与 Si3N4球对磨的磨损率计算结果 Tab.1 Calculation results of wear rates against Si3N4 ball for Q235 steel substrate and PEB/C/N sample Samples Wear width/m Wear depth/m Wear area/m2 Wear rate/(m3N1m1)Bare Q235 steel 601.09 14.02 5 600.40 1.10105 PEB/C/N(280 V)499.05 6.15 2 016.80 3.88104 86 表 面 技 术 2023 年 6 月 图 10 Q235 钢基体和 PEB/C/N 试样与 Si3N4球对磨时的磨痕形貌 Fig.10 Micrographs of wear tracks of Q235 steel substrate and PEB/C/N sample against Si3N4 ball:a)Q235 steel substrate;b)magnified micrograph of a;c)280 V,PEB/C/N;d)magnified micrographs of c 表 2 Q235 钢基体和 PEB/C/N 试样在 图 10b、d 中标记区域的 EDS 分析 Tab.2 EDS analysis of marked areas in Fig.10b,d for Q235 steel substrate and PEB/C/N sample Mass fraction/%Samples Areas Fe O C N Si NaClA 59.68 22.81 6.52 0.66 0.36 8.33 1.63Bare Q235 steel B 80.92 12.03 3.24 0.00 0.05 3.57 0.18A 87.75 5.43 4.79 0.66 0.44 0.79 0.13280 V PEB/C/N B 95.66 1.09 1.55 0.16 0.40 0.13 0.00 3 结论 1）在 280 V 下，在由硼砂（质量分数 25%）+甘油（质量分数 10%）+尿素（质量分数 3%）组成的电解液中，PEB/C/N 共渗过程中试样周围等离子体区的电子温度稳定在 3 500 K 左右。在高电子温度作用下可以提升活性 B、C、N 在 Q235 低碳钢基体中的扩散系数，从而在试样表面快速生成共渗层。2）PEB/C/N 试样的共渗层主要包括 15 m 的表面渗层和 40 m 的过渡层，其中表面渗层主要由 Fe2B相组成。3）在 NaCl（质量分数 3.5%）溶液里的摩擦电化学测试中，Q235 低碳钢基体处于活化溶解与钝化修复的动态循环中，开路电位降至400 mV 左右，且伴随着剧烈的波动。PEB/C/N 试样共渗层的开路电位保持在200300 mV 这个较小电位范围内，明显提升了 PEB/C/N 试样的腐蚀性能。4）在载荷 5 N 下，在 NaCl（质量分数 3.5%）溶液中与 Si3N4球对磨时，PEB/C/N 试样的磨损率为3.88104 m3/(Nm)，只是钢基体磨损率的 1/3。在NaCl 腐蚀介质中，由于腐蚀与磨损的交互作用使得Q235 钢基体产生了塑性应变位错和局部的微裂纹，因此腐蚀加剧了 Q235 钢基体的磨损，其磨损机制主要为疲劳磨损和磨粒磨损。PEB/C/N 试样表面的共渗层有效阻挡了 Cl对基体的腐蚀，磨损机制主要为磨粒磨损。PEB/C/N 试样的耐腐蚀和耐磨损性能得到明显提升。参考文献：1 LAMIM T S,BERNARDELLI E A,BENDO T,et al.Duplex Surface Treatment of Sintered Iron by Plasma Nitriding and Plasma Carburizing at Low TemperatureJ.Surface and Coatings Technology,2019,375:911-919.