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1 前言
金屬材料的腐蝕是材料科學(xué)界普遍關(guān)注的問(wèn)題。據(jù)估計(jì),全世界每年因腐蝕、磨損等報(bào)廢的金屬制品的質(zhì)量約相當(dāng)于其年產(chǎn)量的1/4～1/3。近幾年研究的復(fù)合鍍技術(shù)在一定程度上解決了這一問(wèn)題。復(fù)合鍍層與單金屬材料相比,具有獨(dú)特的機(jī)械性能,在工程技術(shù)方面獲得了廣泛的應(yīng)用[1～3]。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,對(duì)鍍層性能提出了更高的要求。20世紀(jì)60年代由于電子工業(yè)的迅猛發(fā)展,脈沖電鍍技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,并得到快速發(fā)展。脈沖電鍍比直流電鍍具有更優(yōu)異的鍍層性能,目前主要有脈沖鍍鉻、銅、鎳及其合金(二元合金)、金及金合金、鈀及鈀合金等單金屬或二元合金,鮮見(jiàn)脈沖復(fù)合電鍍的報(bào)道。本文利用脈沖電沉積Ni-W-P-SiC復(fù)合鍍層,研究了脈沖參數(shù)對(duì)鍍層沉積速率和鍍層成分的影響,確定最優(yōu)工藝條件,并對(duì)鍍層的耐蝕性、硬度進(jìn)行了測(cè)定。
2 實(shí)驗(yàn)
2.1 鍍液組成及工藝條件
2.2 基體材料與試樣尺寸以50mm×10mm×1mm的A3鋼作為基體材料。
2.3 工藝流程
鋼鐵件→除油→水洗→除銹→水洗→脈沖電鍍→水洗→后處理→成品
2.4 測(cè)試
2.4.1 沉積速率
對(duì)電鍍前、后鍍件用電子秤(精確到0.1mg)精確稱(chēng)量,計(jì)算單位面積單位時(shí)間內(nèi)鍍層的增重率。
2.4.2 鍍層成分及表面形貌分析
采用日本島津EPMA 1600型電子探針定量分析鍍層中各元素的含量和表面形貌。
2.4.3 鍍層耐蝕性
將成品鍍件在腐蝕液中浸泡一定時(shí)間,通過(guò)腐蝕前后試樣的重量變化及其腐蝕面積和腐蝕時(shí)間,計(jì)算鍍層的腐蝕速率。
2.4.4 硬度采用HX 1型顯微硬度計(jì)測(cè)量鍍層硬度。
3 結(jié)果與討論
3.1 工藝條件研究
3.1.1 脈沖頻率和占空比對(duì)沉積速率的影響
本實(shí)驗(yàn)以最優(yōu)的直流電鍍工藝參數(shù)為基礎(chǔ),在一定的溫度范圍內(nèi),電鍍時(shí)間和平均電流密度不變,采用完全實(shí)驗(yàn)法以脈沖頻率(f)和占空比(r)作為試驗(yàn)因素,研究脈沖參數(shù)對(duì)工藝及性能的影響,同時(shí)研究了除脈沖參數(shù)外其它條件均相同的直流電鍍,并對(duì)二者進(jìn)行比較。脈沖頻率和占空比對(duì)沉積速率的影響,如圖1所示。
由圖1可以看出:脈沖頻率對(duì)沉積速率有較大的影響,在頻率10～100Hz的范圍內(nèi),當(dāng)占空比相同時(shí),沉積速率隨頻率的增加先增高后較快地下降,頻率為33Hz時(shí)沉積速率達(dá)到最大值。
對(duì)于脈沖電鍍,占空比是一個(gè)很重要的參數(shù),它表示在一個(gè)脈沖周期內(nèi),脈沖的持續(xù)時(shí)間(ton)與脈沖的整個(gè)周期(ton+toff)的比值。占空比不但能反映脈沖電流通斷時(shí)間的比例,而且在平均電流不變的條件下,它還能反映脈沖電流幅值的大小。圖1表明占空比也是影響沉積速率的一個(gè)重要因素。在不同的脈沖頻率下,占空比的變化對(duì)沉積速率的影響基本一致,即在一定的頻率條件下,較小的占空比得到較低的沉積速率;而占空比過(guò)高,沉積速率又會(huì)下降。當(dāng)占空比為0.6時(shí)可得到較大的沉積速率。本實(shí)驗(yàn)中相同條件下直流電鍍的沉積速率為1.984g/h·dm2,因此,直流電鍍一般都比脈沖電鍍的沉積速率小。實(shí)驗(yàn)中取得最大沉積速率的脈沖參數(shù)為:f=33Hz,r=0.6。
3.1.2 脈沖頻率對(duì)鍍層成分的影響
脈沖頻率反映了脈沖周期的長(zhǎng)短。實(shí)驗(yàn)中當(dāng)占空比為0.8時(shí),脈沖頻率對(duì)Ni W P SiC復(fù)合鍍層中鎳、鎢、磷和SiC的影響,見(jiàn)圖2和圖3。
圖2、3表明,各種頻率條件下鍍層中鎳所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大,均在40%～60%之間;其次是鎢和SiC,占20%左右;含量最小的是磷,約5%左右。頻率參數(shù)的變化對(duì)磷影響較小,而對(duì)其余三種成分的影響較大。在頻率為10～100Hz的范圍內(nèi),鎳、鎢的含量都隨頻率的增加呈先升高后下降的趨勢(shì),且都在f=33Hz時(shí)含量最大,但SiC的含量卻呈先下降后升高的趨勢(shì),最小含量也在f=33Hz處。
3.1.3 占空比對(duì)鍍層成分的影響
在平均電流密度不變的情況下,占空比的大小直接反映了峰值電流密度的大小,而峰值電流密度對(duì)鍍層成分有很重要的影響。圖4和圖5是f=33時(shí)Ni W P SiC復(fù)合鍍層中各成分隨占空比變化的曲線(xiàn)圖。
由圖可見(jiàn),在r=0.6處鍍層中鎳、鎢的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為最大值和最小值;當(dāng)占空比小于0.4時(shí),占空比對(duì)二者的影響不大;占空比對(duì)磷含量影響較小;SiC含量基本上隨占空比的增大而減小。
3.2 性能測(cè)試
3.2.1 鍍層的耐蝕性
試驗(yàn)研究了脈沖鍍層的耐蝕性,并與直流電鍍鍍層和1Cr18Ni9Ti不銹鋼進(jìn)行比較,在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%H2SO4中的腐蝕速率見(jiàn)表1。
表1表明,無(wú)論是Ni W P SiC的直流鍍層還是脈沖電鍍鍍層在硫酸中的耐蝕性都優(yōu)于1Cr18Ni9Ti不銹鋼;脈沖鍍層與直流鍍層相比較,脈沖鍍層的腐蝕速率低,有的甚至降低至1/9,這是由脈沖電鍍的優(yōu)異特性決定的:脈沖電鍍可減少鍍層的孔隙率,得到致密、均勻的鍍層而增強(qiáng)鍍層的耐蝕性。同時(shí),脈沖頻率和占空比對(duì)鍍層耐蝕性有很重要的影響。當(dāng)脈沖頻率f=33Hz時(shí),占空比為0.4時(shí)腐蝕速率達(dá)到最小值;而當(dāng)占空比為0.4時(shí),脈沖頻率為33Hz時(shí),鍍層耐蝕性最好。一方面是由于頻率為33Hz時(shí)沉積速率快、鍍層厚,使孔隙率降低,另一方面占空比為0.4時(shí)鍍層中鎢、磷元素含量較高,二者對(duì)鍍層的耐蝕性起很重要的作用。
3.2.2 鍍層的硬度
試驗(yàn)研究了脈沖鍍層的硬度,同時(shí)與直流鍍層作比較,結(jié)果見(jiàn)表2。
由表2可見(jiàn):脈沖鍍層的硬度明顯高于直流鍍層的硬度,這是因?yàn)槊}沖電鍍除了可減少鍍層的孔隙率,得到致密、均勻的鍍層外,還可以消除氫脆,改善鍍層的物理性能。表2還表明,硬度隨脈沖頻率和占空比變化的情況:f=50Hz和r=0.2或r=0.4時(shí),鍍層硬度最高,這也與鍍層沉積速率較快和鍍層中鎢元素含量較高有關(guān)。
3.3 鍍層的表面形貌
由直流和脈沖電鍍的Ni W P SiC復(fù)合鍍層的表面形貌表明,脈沖鍍層結(jié)晶更細(xì)密均勻,鍍層表面更光滑平整。
4 結(jié)論
(1)Ni W P SiC鍍層的脈沖電沉積速率比直流電沉積的快,且當(dāng)脈沖頻率為33Hz時(shí),鍍層沉積速率達(dá)到最大值。脈沖參數(shù)的變化對(duì)鍍層成分影響很大。
(2)脈沖鍍層的耐蝕性和硬度都優(yōu)于直流鍍層,耐蝕性還優(yōu)于1Cr18Ni9Ti不銹鋼。當(dāng)f=33Hz和r=0.4時(shí),鍍層具有較好的耐蝕性;f=50Hz和r=0.4或r=0.2時(shí),鍍層具有較高的硬度。
(3)脈沖鍍層的結(jié)晶比直流鍍層的更致密均勻,且表面更平整光滑。
