Fe-B4C復合鍍層性能優化的研究

習小慧， 王金亮， 張 禹

（1.東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧工程技術大學 材料科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

Fe-B4C復合鍍層性能優化的研究

習小慧1， 王金亮1， 張 禹2

（1.東北大學 材料與冶金學院，遼寧 沈陽 110819；2.遼寧工程技術大學 材料科學與工程學院，遼寧 阜新 123000）

通過電化學沉積工藝，利用正交實驗設計方法，選取B4C微粒的直徑、B4C的質量濃度及FeCl2·4H2O的質量濃度為3個因素，以鍍層的顯微硬度為評價標準，研究了鐵基復合鍍層的組織性能，并確定了獲得復合鍍層的最佳工藝參數。結果表明：各因素作用的主次順序為B4C的質量濃度＞B4C微粒的直徑＞FeCl2·4H2O的質量濃度；在B4C微粒的直徑10μm，B4C 30g/L，FeCl2·4H2O 350g/L的條件下，獲得的鍍層具有較高的顯微硬度。

鍍鐵；復合鍍層；B4C微粒；顯微硬度；正交實驗

0 前言

低溫鍍鐵具有鍍速快、鍍層硬度高、耐磨性好、成本低、產生的廢液對環境的污染較小等優點［1－2］，在機械零部件的修復方面有著廣泛的應用［3］。

隨著科學技術的發展，單一金屬鍍層已不能滿足日益增長的工業生產需求，為此，復合鍍層逐漸成為人們研究的熱點。田華等［4］將硬質微粒SiC加入鍍鐵液中，最終得到高硬度、高耐磨性的Fe-SiC復合鍍層，改善了鍍鐵工藝。硬質微粒B4C具有密度低、彈性模量高、耐磨及耐蝕等優點［5］，是比較理想的增強材料。本實驗研究了硬質微粒B4C對復合鍍鐵層組織性能的影響。

1 實驗

1.1 實驗材料

采用不對稱交－直流鍍鐵電源，雙陽極單陰極電極，并輔以機械攪拌機。試樣為20mm×20mm×2 mm的低碳鋼板，其主要成分的質量分數為：C 0.12%，Mn 0.42%，Si 0.285%，S 0.015%，P 0.025%，Fe余量。

1.2 實驗過程及方法

1.2.1 工藝流程

鍍前處理（酸洗—→清洗—→吹干）—→對稱交流活化處理—→不對稱交流起鍍—→過渡鍍—→直流鍍—→鍍后處理—→鍍層形貌觀測與性能測試

1.2.2 正交實驗

本實驗采用氯化物低溫鍍鐵工藝，利用正交實驗對工藝進行優化。選取B4C微粒的直徑、B4C的質量濃度及FeCl2·4H2O的質量濃度為3個因素，以鍍層的顯微硬度為評價標準，采用L9（33）進行正交實驗優化。

1.3 性能測試

用71型顯微硬度計測量鍍層的顯微硬度，載荷為50g，加載時間設定在10s。用XJL-02A型金相顯微鏡觀察鍍層表面和橫截面的組織結構，并測量鍍層的厚度及均勻性。

2 結果與討論

2.1 鍍層的顯微硬度

正交實驗結果表明：各因素作用的主次順序為B4C的質量濃度＞B4C微粒的直徑＞FeCl2·4H2O的質量濃度。在B4C微粒的直徑10μm，B4C 30 g/L，FeCl2·4H2O 350g/L的條件下，獲得的鍍層具有較高的顯微硬度。

研究了B4C的質量濃度、B4C微粒的直徑、FeCl2·4H2O的質量濃度對鍍層顯微硬度的影響，實驗結果，分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 B4C的質量濃度對鍍層顯微硬度的影響

圖2 B4C微粒的直徑對鍍層顯微硬度的影響

圖3 FeCl2·4H2O的質量濃度對鍍層顯微硬度的影響

由圖1可知：隨著B4C的質量濃度的增加，鍍層的顯微硬度逐漸增大；當B4C的質量濃度為30 g/L時，鍍層的顯微硬度達到最大值。B4C微粒彌散分布在鍍層內，鍍件在外力作用下發生彈塑性變形時，晶內運動的位錯與B4C微粒相遇，致使位錯運動受阻進而提高了鍍層的顯微硬度。這種微粒強化作用與微粒間距成反比［6］。隨著B4C的質量濃度的增加，鍍層中B4C的沉積量增大，微粒間距減小，鍍層強度提高，從而使鍍層的顯微硬度增大。

由圖2可知：隨著B4C微粒的直徑的增加，鍍層的顯微硬度減小。因為彌散強化程度與第二相的尺寸和分布有關，微粒尺寸越細小，分布越均勻，屈服強度就越高。當B4C微粒的直徑為10μm時，鍍層微粒分布最均勻，微粒間距最小，因此，鍍層的顯微硬度最大。

由圖3可知：隨著FeCl2·4H2O的質量濃度的增加，鍍層的顯微硬度逐漸減小；當FeCl2·4H2O的質量濃度為350g/L時，鍍層的顯微硬度最大。電解液中Fe2＋的質量濃度較低時，陰極極化作用較大，阻礙鍍層晶粒長大，促使新晶粒產生，獲得的鍍層晶粒較小，起到了細晶強化作用［7－8］。

2.2 鍍層的金相組織

圖4為試樣2（B4C微粒的直徑30μm，B4C 20 g/L，FeCl2·4H2O 375g/L）、試樣5（B4C微粒的直徑20μm，B4C 20g/L，FeCl2·4H2O 400g/L）、試樣8（B4C微粒的直徑10μm，FeCl2·4H2O 350 g/L，B4C 20g/L）放大350倍時的金相組織。

圖4 不同試樣的金相組織

由圖4可知：在機械攪拌下，B4C微粒均勻地分布在鍍層中；且隨著B4C微粒的直徑的減小，B4C微粒的分布變得均勻、沉積量變大。在直流電鍍過程中，電流大小不變，基體單位時間內獲得的鐵原子數相等，陰極板單位面積內獲得的鐵原子數也相等。由于鍍鐵液中B4C微粒分布均勻，B4C微粒越小，被Fe2＋撞擊的概率越相近。因此，B4C微粒越小，其在鍍層中的分布越均勻、沉積量越大。

3 結論

本文利用正交實驗設計方法，選取B4C微粒的直徑、B4C的質量濃度及FeCl2·4H2O的質量濃度為3個因素，以鍍層的顯微硬度為評價標準，研究了鐵基復合鍍層的組織性能，得出各變量對鍍層顯微硬度的影響規律，并確定了獲得復合鍍層的最佳工藝參數。

（1）隨著B4C的質量濃度的增加，鍍層的顯微硬度逐漸增大；隨著FeCl2·4H2O的質量濃度的增加，鍍層的顯微硬度逐漸減小；隨著B4C微粒的直徑的增加，鍍層的顯微硬度逐漸減小。

（2）各因素作用的主次順序為：B4C的質量濃度＞B4C微粒的直徑＞FeCl2·4H2O的質量濃度。

（3）獲得復合鍍層的最佳工藝參數為：B4C微粒的直徑 10μm，B4C 30g/L，FeCl2·4H2O 350 g/L。

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［1］BAI A，HU C C.Cyclic voltammetric deposition of nanostructured iron-group alloys in high-aspect ratios without using templates［J］.Electrochemistry Communications，2003，5（8）：619-624.

［2］LEISTNER K，FAHLER S，SCHLORB H，etal.Preparation and characterization of electrodeposited Fe/Pt multilayers［J］.Electrochemistry Communications，2006，8（6）：9l6-920.

［3］劉維波，張小鵬，劉增利.機車曲軸鍍鐵修復疲勞對比試驗研究［J］.實驗力學，2003，18（3）：378-382.

［4］田華，趙程，付平，等.SiC顆粒對鍍鐵層表面形貌和結構的影響［J］.電鍍與精飾，2006，20（4）：36-38.

［5］王金亮，遲長志，高洪生，等.B4C微粒尺寸對鍍鐵層性能的影響［J］.電鍍與環保，2011，31（4）：17-19.

［6］付平，田華，許雪，等.Fe-SiC復合電鍍的工藝研究［J］.材料保護，2006，39（4）：29-31.

［7］崔忠圻，覃耀春.金屬學與熱處理（第2版）［M］.哈爾濱：機械工業出版社，2007.

［8］康煌平，陳立佳，趙忠儉.無刻蝕直流鍍鐵層的組織結構與性能［J］.金屬熱處理學報，1999，20（3）：47-51.

A Research on Performance Optimization of Fe-B4C Composite Coatings

XⅠ Xiao-hui1， WANG Jin-liang1， ZHANG Yu2
（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.College of Materials Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China）

Through electrochemical deposition process，by using orthogonal experimental design method，selecting B4C particle size，B4C mass concentration and FeCl2·4H2O mass concentration as three factors and taking coating micro-hardness as evaluation standard，the microstructure and properties of iron-based composite coatings were studied，and the optimal process parameters for the composite coatings were also obtained.The results show that the order of the factors affecting micro-hardness is：B4C mass concentration＞B4C particle size＞FeCl2·4H2O mass concentration，and when the diameter of B4C particles is 10μm，the mass concentration of B4C 30g/L and the mass concentration of FeCl2·4H2O 350g/L，the obtained coating has higher micro-hardness.

iron plating；composite coating；B4C particle；micro-hardness；orthogonal experiment

TQ 153

A

1000-4742（2013）02-0031-03

2012-02-28