熔盐电解扩散制备碳钢/不锈钢功能梯度材料的基础研究

The carbon steel material has the characteristics of fine mechanical properties and low production cost etc, but easy to be eroded. Stainless steel material has excellent corrosion resistance and beautiful appearance, but need to consume a large amount of rare metals so the price is expensive. This project proposes a method which achieves a perfect combination of both price and corrosion resistance. It uses molten salt electrolysis diffusion to make carbon steel/stainless steel functionally gradient materials. This project researches the dissolving properties of Cr2O3 in NaCl-KCl- NaF system; researches the dissolving properties of NiO in NaCl-KCl-NaF-Cr2O3 system; researches the electrochemical reduction mechanism and electrical crystallization process of Cr, Ni in the molten salt; researches the impact of molten salt composition, electrolysis process conditions and the substrate carbon content on the surface morphology, the cross-section morphology, microstructure of the cathode diffusion layer and Cr, Ni content distribution in the diffusion layer; researches the impact of different carbon content distribution, different Cr content distribution, different Ni content distribution and different microscopic structure on the hardness, bending strength and the corrosion resistance of diffusion layer. It solves the scientific problems within the process, which lays a solid theory foundation for the next step of practical applications.

普通碳钢材料具有良好的力学性能以及成本低等特点，但易腐蚀。不锈钢材料具有优良的耐蚀性能和精美的外观，但大量消耗稀贵金属、价格昂贵。项目拟采用熔盐电解扩散法制备碳钢/不锈钢功能梯度材料，实现二者的完美结合，解决二者的不足。项目通过研究Cr2O3在NaCl-KCl-NaF体系的溶解特性，研究NiO在NaCl-KCl-NaF-Cr2O3体系中的溶解特性，研究熔盐中Cr、Ni电化学还原机理和电结晶过程，研究熔盐组成、电解工艺条件、基体的碳含量对阴极扩散层的表面形貌、断面形貌、显微结构、扩散层中Cr、Ni含量分布的影响，研究扩散层中不同碳含量、不同Cr含量分布、不同Ni含量分布以及不同显微组织对扩散层硬度、抗弯强度以及耐腐蚀性的影响，解决其中的科学问题，为下步实际应用奠定坚实的理论基础。

普通碳钢材料具有良好的力学性能以及成本低等特点，但易被腐蚀。不锈钢材料具有优良的耐蚀性能和精美的外观，但大量消耗稀贵金属铬镍、价格昂贵。项目采用电沉积扩散法制备了含镍碳钢/碳钢、含铬碳钢/碳钢和铬镍合金（不锈钢）/碳钢梯度材料，实现二者的完美结合，解决二者的不足。项目研究了Cr2O3在NaCl-KCl-NaF体系、NiO在NaCl-KCl-NaF-Cr2O3体系中的溶解特性，研究了熔盐、水溶液中Cr、Ni电化学还原机理和电结晶过程，研究了电解质的组成、电解工艺条件、扩散退火条件对材料的表面形貌、断面形貌、显微结构、扩散层中Cr、Ni含量分布的影响，研究了扩散层中不同Cr含量、不同Ni含量对材料耐腐蚀性的影响，研究了含铬碳钢在不同碳含量、不同铬含量条件下铸态到热处理态组织的演变过程和对其耐腐蚀性能的影响。结果表明：Cr2O3在NaCl-KCl-NaF体系、NiO在NaCl-KCl-NaF-Cr2O3体系中的溶解都属于物理溶解，升高温度或升高NaF的含量都可使它们的溶解度增大；Cr+3的电化学还原分两步还原，Cr3++e→Cr2+、Cr2++2e→Cr，Ni+2为一步还原，Ni2++2e→Ni；铬、镍的电结晶过程分别为受扩散控制的半球形三维晶核瞬间成核长大过程和连续成核长大过程；在最佳工艺条件下，熔盐电沉积、水溶液电沉积均可在碳钢上沉积出致密平整的镍、铬和镍铬合金；在700℃~1000℃之间，铬、镍在碳钢中扩散系数约在10-16~10-17，镍铬共扩散时稍有提升，镍、铬的扩散均可抑制基体的晶粒长大；制备的含镍碳钢/碳钢梯度材料的腐蚀电位从-0.552V升高到-0.005V，制备的含铬碳钢/碳钢梯度材料的腐蚀电位从-1.1236V升高到--0.3856V。项目基本查清了电沉积扩散制备含铬镍碳钢/碳钢梯度材料所涉及的主要基础问题，为实现工业生产奠定了坚实基础。