摘要
CrNx是目前可供选择的并具有高硬度、高耐磨性、高耐腐蚀性的金属表面涂层材料，因而有望被研究应用于质子交换膜燃料电池金属双极板表面改性涂层。本课题拟采用包埋法，研究在马氏体不锈钢基体表面沉积Cr2N涂层的可行性，包埋剂采用Cr2N粉为氮铬共渗提供N和Cr;NH4Cl为催渗剂;Al2O3粉为填充剂。通过依次控制Cr2N含量、保温时间、保温温度来研究工艺条件对Cr-N涂层结构的影响规律，确定一组最佳的包埋工艺条件，随后通过腐蚀试验评估该条件下所制得涂层的抗腐蚀性能。 采用配比为30Cr2N-2NH4Cl-68Al2O3(wt.％)的包埋剂，在1100℃下保温4h可在440A马氏体不锈钢基体上得到最外层Cr2N层+次外层富Cr扩散层的涂层结构，包埋工艺对涂层结构有较大影响:(1)当包埋剂中Cr2N粉配比超过30％时，反应后粉末烧结严重，以5％逐次增加Cr2N粉配比时，表面Cr2N涂层厚度随之增加，在Cr2N粉配比为30％时表面Cr2N涂层最厚，且在次外层有富Cr的长条状析出物，确定最佳的包埋剂成分为30Cr2N-2NH4Cl-68Al2O3(wt.％);(2)确定最佳包埋剂成分后改变保温时间，除在保温时间为0h时形成的表面涂层结构不完整，存在较多缺陷外，其余1～8h保温时间下形成的表面Cr2N涂层均光滑且致密，在保温时间超过2h后，在次外层有富Cr的长条状析出物，涂层总厚度与保温时间t1/2成正比，符合热扩散反应沉积中涂层总厚度与时间的一般规律;(3)确定最佳保温时间为4h时改变保温温度，在1000℃、1050℃、1100℃的保温温度下，表面Cr2N涂层的厚度随保温温度的升高而依次增加，在1100℃时次外层有富Cr的长条状析出物，此时，最外层Cr2N层的厚度为17μm，次外层富Cr扩散层的厚度约为19μm。因而，包埋法最佳工艺条件为采用30Cr2N-2NH4Cl-68Al2O3(wt.％)的包埋剂，在1100℃下保温4h,选择该条件下的涂层样品进行抗腐蚀性试验。 电化学测试结果表明，在模拟PEMFC酸性环境的腐蚀液中(0.05mol/L H2SO4+2mg/L F-)，不锈钢原样、不锈钢涂层样品的自腐蚀电位和自腐蚀电流密度分别为-0.623V和3274μA·cm-2，-0.212V和0.0362μA·cm-2，且涂层样品在阳极电位上具有低于阴极电位的腐蚀电流，表明涂层样品具有更强的抗腐蚀能力;在全浸泡水浴腐蚀实验中，不锈钢涂层样品在室温0.5mol/L H2SO4+2mg/L F-腐蚀液中经13500h腐蚀后仍未失重，而原样则以0.007g/h的失重速率溶解;当不锈钢涂层样品在60℃的0.5mol/L H2SO4+2mg/L F-腐蚀液中经800h腐蚀后仍未失重，而不锈钢原样以0.252g/h的失重速率快速溶解，充分表明样品表面涂覆的Cr2N涂层对基体起到的很好的保护作用;四探针电阻率测试结果表明，表面Cr2N涂层的电阻率与马氏体不锈钢基体电阻率相当，都具有良好的导电性能。综上，马氏体不锈钢表面Cr2N涂层的导电性及抗腐蚀能力已满足质子交换膜燃料电池对双极板的要求。
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