Using Coatings Based on the ZrN System to Improve the Corrosion Resistance of Stainless Steel Products

Abstract

This article investigates the anticorrosive properties of Zr-ZrN coatings, including Zr-(Zr,Hf)N, Zr-(Zr,Ti)N, Zr,Hf-(Zr,Hf,Nb)N, and Zr,Nb-(Zr,Nb)N, deposited on AISI 321 stainless steel substrates. The hardness and elasticity modulus of these coatings, as well as their scratch test strength, were measured. Corrosion current densities were calculated using the polarisation resistance method and by extrapolating the linear sections of the cathodic and anodic curves under electrode polarisation. The structure and composition of the sample surfaces were analysed by transmission electron microscopy. Notably, the nitride coatings reduced the corrosion current density in a 3% aqueous NaCl solution at 25°C by more than 10 times, from 6.96 for the uncoated substrate to 0.17 μA/cm2 for the Zr-(Zr,Ti)N-coated sample. The addition of Ti nitride to Zr-ZrN led to the most significant decrease in the corrosion current density. However, the introduction of Nb caused an increase in the corrosion rate and a decrease in the polarisation resistance, and Hf did not affect the corrosion-protective properties of the studied nitride coatings.

В данной статье исследуются антикоррозионные свойства покрытий Zr-ZrN, включая Zr-(Zr,Hf)N, Zr-(Zr,Ti)N, Zr,Hf-(Zr,Hf,Nb)N и Zr,Nb-(Zr,Nb)N, нанесенных на AISI 321 подложки из нержавеющей стали. Были измерены твердость и модуль упругости этих покрытий, а также их прочность при испытании на царапание. Плотности коррозионного тока были рассчитаны с использованием метода поляризационного сопротивления и путем экстраполяции линейных участков катодной и анодной кривых при поляризации электродов. Структура и состав поверхностей образцов были проанализированы с помощью просвечивающей электронной микроскопии. Примечательно, что нитридные покрытия снижали плотность тока коррозии в 3%-ном водном растворе NaCl при 25 °C более чем в 10 раз - с 6,96 для подложки без покрытия до 0,17 мкА/см2 для образца, покрытого Zr (Zr,Ti)N. Добавление нитрида титана к Zr-ZrN привело к наиболее значительному снижению плотности тока коррозии. Однако введение Nb привело к существенному снижению плотности тока коррозии. Увеличение скорости коррозии и снижение поляризационного сопротивления, а также Hf не повлияли на антикоррозионные свойства исследуемых нитридных покрытий.