電壓對電刷鍍純鈷鍍層組織和性能的影響

楊陽， 唐振， 葉雄， 宋皓， 陽振宇

（陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

0 引言

電刷鍍技術的起源比有槽電鍍的稍晚，但是目前電刷鍍技術已經日臻完善[1]。電刷鍍技術是在有槽電鍍的基礎上逐漸形成的，起初是為了拓展有槽電鍍技術，補齊電鍍技術的缺口[2]。與槽鍍不同的是，電刷鍍的電流密度較大，沉積速率大大提高。工作時，使用的鍍筆與鍍件要具有一定的轉動速率，得到斷續的結晶鍍層，使得鍍層結構細化并得到高密度的位錯，最終使得鍍層具有很好的致密度、硬度以及耐磨性[3－4]。電刷鍍技術作為一種表面工程技術，已經成為非常重要的機械類零部件表面維修與強化方式[5]。試驗研究表明[6－8]，Co鍍層具有良好的抗氧化性、耐蝕性以及耐磨性。Co鍍層可控制與Ti合金組成摩擦副時的磨損[9]。該復合鍍層在干燥環境中，抗高溫氧化、耐磨損的最佳溫度為300～800℃，并且在高于300℃環境中工作時，表面會生成一層氧化釉膜，顯示出優越的耐磨性能[10－12]。

本文采用電刷鍍方法在GH4169表面制備了純Co鍍層。研究了不同電壓參數對Co鍍層的表面形貌、相結構、顯微硬度和耐磨性的影響。

1 實驗過程

1.1 鍍液成分及實驗工藝

本文所采用的鍍液配方如表1所示。

電刷鍍前，對工件表面進行預處理：砂紙打磨→電凈→活化→電刷鍍特殊鎳→電刷鍍Co鍍層→去離子水沖洗→無水乙醇沖洗→吹干→測試。完成每一道工序后都對工件表面進行去離子水清洗。溫度為25℃，pH=4.0，使用電壓為10、12、14、16、18、20、22、24、26、28V。

表1 鍍液配方

1.2 實驗設備及材料

試驗所用設備為DSD－7S－S刷鍍電源型直流電刷鍍電源，采用QJDSD型號的石墨鍍筆。刷鍍陰極材料選用GH4169高溫合金，該合金的成分質量分數為：C（0.02%～0.06%），Cr（17%～21%），Ni（50%～55%），Nb（5.0%～5.5%），B（不大于0.06%），Mg（不大于0.01%），Bi（不大于0.001%），Sn（不大于0.005%），Pb（不大于0.001%）。試樣尺寸為15 mm×30 mm×3 mm。

1.3 鍍層性能表征

采用Nova Nano SEM450/650型場發射掃面電子顯微鏡（FE－SEM）觀察鍍層的表面形貌。利用TR－2000型表面粗糙度測量儀測量復合鍍層表面粗糙度，行程為8 mm。采用Buehler自動顯微硬度儀測試復合鍍層的顯微硬度，載荷0.2 N，保持10 s，每個鍍層測10個位置，計算平均值。采用CETR－3型摩擦磨損試驗機測試鍍層的摩擦因數，載荷為5 N，摩擦副為直徑6 mm的GCr15鋼球，摩擦頻率5 Hz，摩擦行程4 mm，時間15 min。

2 結果與討論

2.1 電壓對Co鍍層表面形貌的影響

圖1為不同電壓下所得Co鍍層的表面形貌。從圖1可知，Co鍍層表面無裂紋。電壓為10 V時（圖1（a）），鍍層表面的顆粒粗大，顆粒之間有空隙，復合鍍層中致密度較低；當電壓為22 V（圖1（d））時，所得鍍層致密度大大增加，鍍層平整度也得到改善；當電壓為28 V時（圖1（j）），Co鍍層的致密度最大，鍍層最均勻，表面最平整。通過對比不同電壓下的鍍層，可以發現隨著電壓的增大，鍍層密度逐漸增加，平整度不斷改善。綜合分析認為這是因為隨著電壓的升高，形核率提高，晶粒尺寸減小，鍍層晶粒之間的空隙逐漸減小，鍍層表面變得平整而致密。

圖1 不同電壓下所得Co鍍層的表面形貌

2.2 電壓對Co鍍層表面粗糙度的影響

由圖 2知，在電壓10～22 V的變化范圍內，鍍層的表面粗糙度隨著電刷鍍電壓的升高而不斷下降，這是因為隨著電壓的升高，陰極極化現象增強，Co晶粒的形核率增加，晶粒逐漸變得細小，鍍層愈發平整，則鍍層的表面粗糙度逐漸下降，當電壓超過22 V時，電壓過大導致Co晶粒的沉積太快，以至于來不及沉積到“深洼處”，電壓越大，這種趨勢越明顯，導致鍍層的表面粗糙度上升。

圖2 不同電壓下所得鈷鍍層的表面粗糙度

2.3 電壓對Co鍍層結構的影響

圖3 不同電壓下鈷鍍層XRD譜圖

通過X射線衍射對復合鍍層進行結構分析，從圖3中可以看出，Co鍍層包含以下兩種結構：樣品在2θ為40.215°、42.605°、47.433°、51.181°等角度時有明顯的衍射峰，這些峰分別對應于PDF卡（35－0804）Co的（230）、（150）、 （060）、（051）晶面的特征峰。鍍層樣品在2θ為44.762°、75.939°、92.537°角度時有明顯的衍射峰，這些峰分別對應于PDF卡（05－0727）Co的（002）、（110）、（112）晶面衍射峰。

2.4 Co鍍層的顯微硬度

圖4 不同電壓下所得Co鍍層顯微硬度

圖5 不同電壓下所得Co鍍層的摩擦因數和磨痕寬度

圖4為Co鍍層的顯微硬度隨電壓增大的變化趨勢。從圖4中可以看出，隨著電壓的不斷升高，在10～22 V范圍內，Co鍍層的顯微硬度升高；當電壓高于22 V時，隨著電壓的提高，Co鍍層的顯微硬度減小。當電壓為10～16 V時，鍍層的硬度提高不明顯；繼續增大電壓，鍍層硬度顯著提高；這是鍍層內部晶粒細化的結果。繼續增大電壓并高于22 V時，硬度呈現下降趨勢，鍍層表面因電流密度過大受到燒傷而呈暗黑色，無法獲得較為光潔的鍍層。

2.5 Co鍍層的耐磨性

圖5為不同電壓下所得Co鍍層的摩擦磨損實驗結果。由圖5可知，在10～22 V范圍內，隨電壓增大，Co鍍層的摩擦因數和磨痕寬度減小，即鍍層的耐磨性不斷改善。隨著電壓的升高，鍍層硬度上升，使得鍍層的耐磨性逐漸改善。而當電壓達到22 V時，鍍層的摩擦因數和磨痕寬度增大，即鍍層的耐磨性不斷下降，這是由于鍍層硬度降低引起的。鉆鍍層之所以耐磨是因為在磨損過程中，表面生成的Co3O4釉質膜有利于提高其耐磨性能；但另一方面，若釉質膜被磨損掉成為磨屑，則會加速材料的磨損[13]。

3 結 論

1）電刷鍍純Co鍍層，刷鍍電壓過高或過低都不能獲得質量良好的鍍層；2）當刷鍍電壓為22V時，Co鍍層表面均勻、致密，硬度和耐磨性也最好；3）Co鍍層的硬度和耐磨性與鍍層晶粒大小有關。