1. 前言 (Spheroidal graphite cast iron) (Ductile iron, DI) (1) ADI (Austempered ductile iron) (2-5) ADI (6-7) ADI (8) ADI (CrN) (ZrN) (TiAlN) (CrN) (ZrN
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- 姜 苍
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1 (Cr,Zr)N ADI Effects of (Cr,Zr)N Arc-coating and Electrloess Nickel on Erosion and Corrosion Behaviors of Austempered Ductile Iron Containing Copper 1 C.H. Chen 2 * C.H. Hsu 1 Y.C. Pan Received 1 January 2013; received in revised form 2 February 2013; accepted 5 March 2013 摘要 1 wt.% Cu Cu-ADI (Cr,Zr)N (EN) XRD TEM SEM 3.5 wt.% NaCl (Cr,Zr)N ADI (Cr,Zr)N 42 nm 2 μm 25 μm-en (Cr,Zr)N EN EN/(Cr,Zr)N Cu-ADI 關鍵詞 : CrN/ZrN Abstract This study utilized (Cr,Zr)N arc-coating and electroless nickel (EN) to treat the surface of austempered ductile iron containing 1 wt.% Cu (Cu-ADI), and then conducted structural analysis and morphology observation of the coatings by XRD, TEM, and SEM, erosion tests, and polarization tests in 3.5 wt.% NaCl solution for understanding the effects of both the (Cr,Zr)N and EN coatings on erosive and corrosive behaviors of Cu-ADI. The results showed that the (Cr,Zr)N coating was a nano-multilayer (~2 µm) with the perlayered thickness of about 42 nm, while 25 μm-en was an amorphous structure mixed with a little crystalline. When the (Cr,Zr)N coating had a 25 μm-en as interlayer, not only there was an increase in coating adhesion to raise the erosion resistance, but also the corrosion resistance was remarkably improved. Keywords: Austempered ductile iron, Electroless nickel, CrN/ZrN multilayer, Erosion resistance, Corrosion resistance 1 2 * chhsu@ttu.edu.tw ~ 56 ~
2 1. 前言 (Spheroidal graphite cast iron) (Ductile iron, DI) (1) ADI (Austempered ductile iron) (2-5) ADI (6-7) ADI (8) ADI (CrN) (ZrN) (TiAlN) (CrN) (ZrN) CrN/ZrN ADI (9-12) ADI (Electroless nickel, EN) ADI EN ADI (Cathodic arc deposition, CAD) CrN/ZrN CrN/ZrN ADI Table 1 Chemical compositions of the experimental material in this study. (wt.%) C Si Mn P S Cu Fe Bal Fig. 1 Diagram of Y-block castings, and Dimensions of the specimen in this study (unit: mm). 2. 實驗方法 2.1 材料來源 1 wt.% Cu Y-block mm 試片組成分析 (Cu-DI) (GDS) 沃斯回火熱處理 2 (3) ~ 57 ~
3 Austenitizing 910 C, 1.5 hrs Table 2 CAD processing parameters for CrN/ZrN coatings in this study. Parameter Condition Temperature Quenching Preheating 550 C, 15 mins Austempering 360 C, 2 hrs R.T. Two target Cathode current Working pressure Ar+ Bombardment Substrate bias Substrate temperature Rotation rate Target to substrate distance Deposition time Cr: 99.5wt.%, Zr: 99.5wt.% 60 A, 70 A 2.7 Pa 700 V 120 V 230 C 2 rpm 150 mm 40 min Time Fig. 2 Schematic diagram of austempering heat treatment. 25 μm 25 μm EN 550 C C C 2 (γ Ausferrite) (Cu-ADI) TTT 2.4 無電鍍鎳處理 Cu-ADI (EN) 25 μm 3 CAD 2.5 CAD-CrN/ZrN 鍍膜處理 CAD ZrN/CrN EN Cu-ADI Zr(99.5 wt.%) 25 μm 50 μm Fig. 3 Schematic diagram of EN layer on the ADI surface. Cr(99.5 wt.%) 70 A 60 A -120V 40 mins ZrN CrN 鍍膜性質分析 (1) XRD XRD Cu 2 /min (2) CS- 600D 50 mm 1 g DI ~ 58 ~
4 a (110) After CAD treatment Before CAD treatment 20 µm Relative Intensity (a.u.) γ (111) γ (200) a (110) γ (111) γ (200) a (200) a (200) γ (200) γ (200) a (220) a (220) θ (degree) Fig. 5 XRD pattern of the ADI substrates before and after CAD treatment. 20 µm Fig. 4 Microstructure of Cu-ADI: before coating, and after coating. Al 2 O 3 (~177 µm) 90 SEM (3) EG&G wt.% NaCl mv/s 1.2 V +0.2 V 0.95 cm 2 CView2 (Ecorr) (Icorr) (Polarization resistance, Rp) 3. 結果與討論 3.1 基材顯微組織 1 wt.% ADI (Cu-ADI) 3.5 wt.% Nital OM Cu-ADI C-2hrs Cu-ADI Cu-ADI CAD OM 4 Cu-ADI XRD 5 Cu-ADI α γ XRD Cu-ADI (3) Cu-ADI 23.5Vol.% Cu-ADI 23.3Vol.% Cu-ADI (230 C) 3.2 膜層 XRD 結構分析 6 (EN) ~ 59 ~
5 EN-CrN/ZrN Relative Intensity (a.u.) Ni CrN/ZrN ZrN CrN EN 5 nm CrN (111) (200) (220) ZrN (111) (200) (220) (311) θ (degree) Fig. 6 XRD pattern of the various coatings. P Ni (13, 14) CrN/ZrN CrZrN Cr CrN Zr ZrN CrN/ZrN JCPDS CrN ZrN F.C.C (15) 34 ZrN (111) Zr Zr ZrN CrN (111) (200) 3.3 TEM 膜層結構分析 TEM (EN) 7 TEM (Bright field image) (13,14) (6wt%P~12wt%P) 2 1/nm Fig. 7 Cross-sectional TEM images of the EN deposited: bright-field image, and TEM selected area diffraction (SAD) pattern of the EN. EN TEM (Selected area diffraction, SAD) 10 SAD-Ni (220) 8 CrN/ZrN TEM 42 nm CrN/ZrN SAD CrN/ZrN 單顆粒沖蝕試驗分析 Al 2 O 3 (~177 µm) (90 ) Cu-ADI 9 Cu-ADI ~ 60 ~
6 (c) (d) 50 nm (e) (f) /nm Fig. 8 Cross-sectional TEM images of the CrN/ZrN multilayer deposited: bright-field image, and SAD pattern of the CrN/ZrN multilayer. 9 9 (e) CrN/ZrN 9 (c) (d) (f) 3.5 極化腐蝕試驗分析 Cu-ADI 10 (Icorr) (Ecorr) (Polarization resistance, Rp) 3 10 Cu-ADI Fig. 9 Surface morphology of the coated and uncoated specimens after erosion test. Cu- ADI, EN, (c) EN-CrN, (d) EN-ZrN, (e) ADI-CrZrN, and (f) EN- CrZrN. Icorr (Amps/cm 2 ) Cu-ADI ADI-CrZrN EN En-ZrN EN-CrZrN EN-CrN Ecorr (Volts) Fig. 10 Polarization curves of the coated and uncoated specimens. ~ 61 ~
7 Table. 3 Polarization and porosity measurement in this experiment. Specimen Icorr (Amp/cm 2 ) Ecorr (Volts) Rp (Ohms/cm 2 ) Cu-ADI EN EN-CrN EN-ZrN ADI-CrZrN EN-CrZrN (c) (e) (d) (f) Cu-ADI EN-CrZrN CrZrN 11 (e) EN 11 (c), (d) (f) CrN/ZrN EN 4. 結論 1. Cu-ADI CrN/ZrN Fig. 11 Surface morphology of the coated and uncoated specimens after polarization test in 3.5%NaCl aqueous solution. Cu-ADI, EN, (c) EN-CrN, (d)en-zrn, (e) ADI- CrZrN, and (f) EN-CrZrN. Cu-ADI 2. Cu-ADI 25 μm CAD-CrZrN μm-en 2 μm-(cr,zr)n 42 nm 4. CAD-CrZrN EN Cu-ADI EN wt% NaCl CAD EN EN-CrZrN 致謝 (NSC E ) ~ 62 ~
8 參考文獻 1. W.F. Smith: Structure and Properties of Engineering alloys, Second Ed., McGraw-Hill Inc., New York, p.329, S.C. Lee, C.H. Hsu, C.C. Chang, H.P. Feng, Influence of casting size and graphite nodule refinement on fracture toughness of austempered ductile iron, Metallurgical and Materials Transactions A 29A, 1998, pp C.H. Hsu, T.L. Chuang, Influence of stepped austempering process on the fracture toughness of ADI, Metallurgical and Materials Transactions A 32A, 2001, pp J. Race, L. Stott, Practical experience in austempering of ductile iron, Heat Treatment of Metals, 4, 1991, pp K.L. Hayrynen, D.J. Moore, K.B. Rundman, Tensile and fatigue properties of relatively pure ADI, AFS Transaction, 98, 1992, pp H. Bayati, R. Elliott, Austempering process in high manganese alloyed ductile cast iron, Materials Science and Technology 11, 1995, pp G.L. Greno, J.L. Otegui, R.E. Boeri, Mechanisms of fatigue crack growth in austempered ductile iron, International Journal of Fatigue 21, 1999, pp C.F. Walton: Iron Castings handbook, Iron Castings Society, Inc., New York, 1981, p C.H. Hsu, K.L. Chen, K.C. Lu, Effects of lowtemperature duplex coatings on the abrasive and erosive behavior of ADI, Thin Solid Films 519, 2011 pp C.H. Hsu, C.Y. Lee, K.L. Chen, J.H. Lu, Effects of CrN/EN and Cr 2 O 3 /EN duplex coatings on corrosion resistance of ADI, Thin Solid Films 517, 2009 pp C.H. Hsu, J.K. Lu, M.L. Chen, Study on characteristics of ADI coated DLC/TiN/TiAlN coatings by cathodic arc evaporation, Solid State Phenomenon 118, 2006, pp C.H. Hsu, M.L. chen, K.L. Lai, Corrosion resistance of TiN/TiAlN-coated ADI by cathodic arc deposition, Materials Science and Engineering A 421, 2006, pp K.G. Keong, W. Sha, S. Malinov, Hardness evolution of electroless nickel-phosphorus deposits with thermal processing, Surface and Coatings Technology 168, 2003, pp P.S. Kumar, P.K. Nair, Studies on crystallization of electroless Ni-P deposits, Journal of Materials Processing Technology, 56, 1996, pp Z.G. Zhang, O. Rapaud, N. Allain, D. Mercs, M. Baraket, C. Dong, C. Coddet, Microstructures and tribological properties of CrN/ZrN nanoscale multilayer coatings, Applied Surface Science 255, 2009, pp ~ 63 ~
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