三價(jià)鉻鍍層表面形貌及微觀結(jié)構(gòu)研究

夏 恒，熊 云，沈新民，陳洪山

（1.解放軍理工大學(xué)，野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京210007；2.91746部隊(duì)，第五工作處，北京102206）

三價(jià)鉻鍍層表面形貌及微觀結(jié)構(gòu)研究

夏 恒1，2，熊 云1，沈新民1，陳洪山1

（1.解放軍理工大學(xué)，野戰(zhàn)工程學(xué)院，南京210007；2.91746部隊(duì)，第五工作處，北京102206）

基于45#鋼表面鍍硬鉻進(jìn)行試驗(yàn)，利用SEM分析了鍍層表面形貌，采用X射線衍射儀分析了鍍層的相結(jié)構(gòu)。結(jié)果表明三價(jià)鉻的制備質(zhì)量可替代六價(jià)鉻。

電化學(xué)沉積；鍍硬鉻；界面結(jié)構(gòu)

當(dāng)前，工程精密件修復(fù)的方法主要是電鍍方式，即在受損件表面完全制備或大面積制備耐磨性好、耐蝕性強(qiáng)的金屬鍍層。因?yàn)槎鄶?shù)精密件的材料使用的是45#鋼鍛制，少部分使用鑄鐵，所以在實(shí)驗(yàn)中采用了45#鋼表面進(jìn)行鍍硬鉻的實(shí)驗(yàn)工藝，目前鍍鉻的方式分為三價(jià)鉻鍍鉻和六價(jià)鉻鍍鉻，其中三價(jià)鉻鍍鉻效率高，速度快，深鍍能力和均鍍能力均優(yōu)于六價(jià)鉻鍍鉻，因此本文中采用了三價(jià)鉻鍍鉻方案。

1 試驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

三價(jià)鉻鍍硬鉻的主要配量如表1所示。

表1 鍍液溫度與濃度示意表

1.2 實(shí)驗(yàn)基材

基材選用了45#鋼材，如圖1所示，試驗(yàn)基材采用試樣準(zhǔn)36 mm，總長294 mm，前端預(yù)留螺紋旋鈕的圓棒[1]，樣件的螺紋區(qū)域不進(jìn)行入電鍍實(shí)驗(yàn)。

圖1 基材尺寸

1.3 工藝流程

鍍硬鉻的工藝流程主要是前期處理、鍍鉻、水洗等多道工藝處理[2-3]，流程如圖2所示。

圖2 工藝流程圖

2 試驗(yàn)結(jié)果

對(duì)于鍍完的試樣進(jìn)行了切割，在切割過程中盡量減少破壞其表面鍍層，對(duì)完成的試樣進(jìn)行的多種性質(zhì)測試[4]。

2.1 外觀與表面粗糙度

在超景深顯微鏡下可以看到鍍層表面質(zhì)地較為細(xì)密未有多余顆粒狀雜質(zhì)出現(xiàn)，外圓粗糙度Ra =2.527μm，Rz=10.78μm，表面光潔平整，如圖3所示。

圖3 超景深形貌圖

2.2 結(jié)合力測試

使用多功能壓痕儀對(duì)鍍層的結(jié)合力進(jìn)行測試。通過這些壓痕儀產(chǎn)生的壓痕形貌，能夠獲得被測材料的硬度和彈性模量等特性，可以在納米尺度上對(duì)表面的蠕變、疲勞和應(yīng)力進(jìn)行研究。

采用了劃痕步進(jìn)測量方法，將施加劃痕力從1 N線性升至200 N，步進(jìn)為300μm/min，劃痕長為2 985μm，在刻劃過程中未發(fā)生剝離現(xiàn)象，則可以認(rèn)定膜與基材結(jié)合強(qiáng)度較高，見圖4.

圖4 劃痕檢測圖

2.3 成膜厚度與元素成分測試

用掃描電子顯微鏡和X射線能譜對(duì)表面以及試樣的元素成分進(jìn)行了測量，其膜厚度達(dá)到了62.2 μm，如圖5所示。

圖5 掃描電子顯微鏡圖

在鍍層和基材上分別取兩個(gè)區(qū)域，見圖5照片中的譜圖5和譜圖6區(qū)域，并對(duì)兩個(gè)譜圖區(qū)域進(jìn)行能譜分析。

其中可以清晰地看出圖6、表2的主要元素為Cr，圖7、表3的主要元素為Fe和C，證實(shí)其材質(zhì)的真實(shí)性。

圖6 譜圖區(qū)域5能譜分析圖

表2 譜圖區(qū)域5能譜分析表

圖7 譜圖區(qū)域6能譜分析圖

表3 譜圖區(qū)域6能譜分析表

3 分析與討論

基于測試的結(jié)果可知三價(jià)鉻鍍硬鉻結(jié)果，如表2所示。

表4 測試結(jié)果表

因此將具體的數(shù)據(jù)帶入公式中可以得知實(shí)驗(yàn)用的金屬鉻（Cr）的電流效率為：

其中m是質(zhì)量（g）；I是電流（A）；t是時(shí)間（H），k是電化當(dāng)量（gA-1h-1）。

則計(jì)算值為6.667%，與理想的電流效率13%相差較多，但相對(duì)硬度較好。不難看出陰極優(yōu)先進(jìn)行的是析氫反應(yīng)，但是當(dāng)析氫反應(yīng)在電極上過點(diǎn)位較大時(shí)，三價(jià)鉻離子就會(huì)在陰極上還原析出。但是大多數(shù)的能量都用在了析氫反應(yīng)上，因此三價(jià)鉻的電流效率比較低，理論上為13%，但是實(shí)際中的電流效率卻遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于該值，且還原的氫會(huì)吸附在陰極的鉻上，容易造成鍍層表面的氫脆現(xiàn)象。

4 結(jié)束語

（1）三價(jià)鉻鍍鉻工藝還不夠完善，因此導(dǎo)致的鍍層的厚度有限，應(yīng)用的范圍還未能成為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的操作，其探究的前景較好。

（2）由劃痕儀測試可以看出，成膜結(jié)合力較高，在較高施加力的劃痕下未出現(xiàn)鍍層剝落的現(xiàn)象。

（3）在陰極析出鉻離子沉積成金屬鉻膜的同時(shí)，也存在有析氫現(xiàn)象，所以一般意義上很難達(dá)到理想的電流效率值。

[1]張國良．零件鍍鉻前工藝尺寸解決方法[J].科技信息，2011（16）：364.

[2]張?jiān)收\，胡如南，向榮．電鍍手冊(cè)[M]．北京：國防工業(yè)出版社，1997：201-212.

[3]翟宏強(qiáng)，潘宏俠，郭彥青．鍍鉻控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)及研究[J].煤炭技術(shù)，2010，30（1）：26-28.

[4]杜登學(xué)，張長鑫．二甲基甲酰胺體系三價(jià)鉻鍍液的研究[J].材料保護(hù)，1999，13（4）：60-63.

Research on Surface Morphology and Microstructure of TrivalentChrom ium Plating

XIA Heng1，2，XIONG Yun1，SHEN Xin-ming1，CHEN Hong-shan1
（1.PLA University of Science and Technology，Nanjing Jiangsu 210007，China；2.91746，Beijing 102206，China）

Based on the test of hard chromium plating on the surface of No.45 steel，the surfacemorphology of the coating was analyzed by SEM，and the phase structure of the coating was analyzed by X ray diffractometer.The results indicate that the quality of trivalent chromium plating is obviously better than that of hexavalent chromium.

electrochemical deposition；hard chromium plating；interface structure

TB304

A

1672-545X（2017）04-0049-03

2017-01-07

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目“碳化硅零件氧化輔助拋光加工機(jī)理與關(guān)鍵工藝研究”（項(xiàng)目編號(hào)：51505498）；江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目“氧化輔助拋光碳化硅零件加工機(jī)理分析與工藝參數(shù)優(yōu)化”（項(xiàng)目編號(hào)：BK20150714）

夏恒（1981-），男，江蘇人，工程師，研究生，主要研究計(jì)算機(jī)科學(xué)、軟件開發(fā)、軍事裝備；沈新民（1984-），男，湖北人，博士，講師，主要研究精密工程、先進(jìn)制造技術(shù)、超精密加工與測量。