表面粗糙度對牙輪鉆頭內孔表面鍍銀層質量的影響

李 英

(天津立林機械集團有限公司， 天津 300352)

銀是良好的導體，在材料表面制備鍍銀層可提高材料的導熱、導電及焊接性能,此外鍍銀層還起到防腐、裝飾、反光等作用[1],因此被廣泛應用于電子、電器、儀器、儀表和照明等領域。

鉆井用牙輪鉆頭的內孔與主軸接觸,在工作時會產生摩擦，對內孔進行電鍍銀處理后不僅降低了摩擦因數,還可起到防腐和潤滑，提高軸承導熱性、密封性和使用壽命等作用[2]。為了保證鍍銀層質量，使其在牙輪鉆頭內孔表面發揮較好的作用，筆者分析了表面粗糙度對牙輪鉆頭內孔表面鍍銀層質量的影響。

1 試樣制備

抽取兩個低合金鋼基體牙輪鉆頭，分別編號為A和B，在其內孔表面進行相同工藝的鍍銀處理。然后用線切割方法分別在每個牙輪鉆頭內孔鍍銀層處取兩個試樣，分別編號為A1，A2，B1，B2。另外在A，B兩個牙輪鉆頭上切取10 mm×10 mm×2 mm的鍍銀層試樣，分別編號為A3，B3。

2 試驗方法與結果

2。1 XRD分析

對試樣A3，B3的鍍銀層表面進行XRD分析，試驗采用銅靶，電壓為40 kV，電流為200 mA，掃描速度為3°·min-1，掃描范圍2θ=10°～90°。

圖1，2分別為試樣A3,B3的鍍銀層XRD譜，可見兩試樣的特征峰基本一致，均在38°附近出現Ag(111)面的衍射峰；在44。2°附近出現Ag(200)面的衍射峰；在64。3°附近出現Ag(220)面的衍射峰；在77。3°附近出現Ag(311)面的衍射峰；在81。4°附近出現Ag(222)面的衍射峰[3-4]，均為純銀峰、無雜峰。

圖1 試樣A3的XRD衍射譜Fig.1 XRD diffraction pattern of sample A3

圖2 試樣B3的XRD衍射譜Fig.2 XRD diffraction pattern of sample B3

2。2 熱震試驗

根據GB/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學沉積層 附著強度試驗方法評述》，將試樣A2,B2置于(300±10) ℃高溫爐中1 h后迅速放入室溫的水中驟冷，取出后用高壓氣吹干，觀察熱震試驗后試樣A2，B2的鍍銀層表面狀態，并與未進行熱震試驗的試樣A1，B1進行對比，如圖3所示。可見試樣A2在熱震試驗后鍍銀層表面失去光亮呈暗黑色，且鍍層與基體間無起泡、脫落和剝離現象，如圖3b)所示；試樣B2在熱震試驗后鍍銀層表面無明顯變化，且鍍層與基體間無起泡、脫落和剝離現象，如圖3d)所示。

通過對熱震試驗后試樣A2，B2的外觀對比觀察，可以發現兩個牙輪鉆頭內孔鍍銀層的氧化程度不同，與基體結合情況相近，均未發生起泡、脫落和剝離現象。

圖3 熱震試驗后試樣A2，B2的鍍銀層表面狀態 與未進行熱震試驗的試樣A1，B1的對比Fig.3 Comparison of surface state of silver coating of sample A2, B2 after thermal shock test with sample A1, B2 without thermal shock test: a) sample A1; b) sample A2; c) sample B1; d) sample B2

2。3 金相檢驗

在未進行熱震試驗的試樣A1，B1和熱震試驗后的試樣A2，B2的橫截面上分別切取適量金相試樣，使鍍銀層與基體結合面位于鑲嵌試樣的表面，升溫至140 ℃、加壓保溫20 min進行鑲嵌制樣。研磨、拋光試樣，再用純水和酒精依次清潔拋光后用高壓氣吹凈，采用Observer A1m型光學顯微鏡對試樣的顯微組織進行觀察。

由圖4可見，高倍下觀察未進行熱震試驗的試樣A1，結合處不太平滑，有凹凸起伏，說明牙輪鉆頭A內孔的表面粗糙度較大，此外其鍍層與基體結合較好；試樣A2經熱震試驗后局部區域與基體之間出現夾層，該夾層顏色深淺不一，但仍然保持與基體的良好結合狀態。由圖5可見，試樣B2的鍍層在熱震試驗后與未進行熱震試驗的試樣B1相比無明顯變化，高倍下觀察結合面平滑無凹凸起伏，說明牙輪鉆頭B內孔的表面粗糙度較小，且其鍍層與基體結合良好。

2。4 掃描電鏡分析

為進一步觀察鍍銀層與基體的結合情況，采用S-4800型場發射掃描電鏡(SEM)對未進行熱震試驗的試樣A1，B1與熱震試驗后試樣A2，B2的鍍銀層形貌進行觀察。如圖6所示，可見未進行熱震試驗的試樣A1的鍍銀層與基體結合面呈一條不規則的曲線，在鍍銀層中間還發現了一條明顯的結合面痕跡；試樣B1的鍍銀層與基體結合面基本保持一條直線，且結合狀態致密，這同樣也可以說明牙輪鉆頭A內孔的表面粗糙度較大，牙輪鉆頭B內孔的表面粗糙度較小。

圖4 熱震試驗后試樣A2鍍銀層的顯微組織形貌與未進行熱震試驗的試樣A1的對比Fig.4 Comparison of microstructure morphology of silver coating of sample A2 after thermal shock test with sample A1 without thermal shock test: a) morphology of sample A1 at low magnification; b) morphology of sample A1 at high magnification; c) morphology of sample A2 at low magnification; d) morphology of sample A2 at high magnification

圖5 熱震試驗后試樣B2鍍銀層顯微組織形貌與未進行熱震試驗的試樣B1的對比Fig.5 Comparison of microstructure morphology of silver coating of sample B2 after thermal shock test with sample B1 without thermal shock test: a) morphology of sample B1 at low magnification; b) morphology of sample B1 at high magnification; c) morphology of sample B2 at low magnification; d) morphology of sample B2 at high magnification

如圖7所示，熱震試驗后試樣A2局部鍍層與基體結合處出現了縫隙，局部鍍層中間還出現了夾層，分離開的基體表面凹凸起伏較大，很不平滑。

2。5 能譜分析

對未進行熱震試驗的試樣A1和熱震試驗后試樣A2,B2的鍍銀層區域選取了如圖8所示的幾個位置進行能譜分析，結果如表1所示。可見試樣A1鍍層與基體結合處的明顯痕跡為銅過渡層，當熱震試驗后鍍層與基體中間出現夾層，結合強度降低，夾層內部雜質經能譜分析為低合金鋼基體鐵及其氧化物；試樣B2的鍍層完好、純度較高，與基體結合牢固，中間未發現任何夾雜物。

圖6 未進行熱震試驗的試樣鍍銀層的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of silver coating of sample without thermal shock test: a) sample A1; b) sample B1

圖7 熱震試驗后試樣A2的局部鍍銀層SEM形貌Fig.7 SEM morphology of partial silver coating after thermal shock test of sample A2: a) crack; b) interlayer

圖8 鍍銀層能譜分析位置Fig.8 Analysis positions for energy spectrum on silver coating: a) sample A1; b) area 1 on sample A2; c) area 2 on sample A2; d) sample B2

為進一步分析鍍銀層元素分布情況，對試樣A1，B2進行了線掃描能譜分析，如圖9所示。可見試樣A1中銀、鐵、銅3種元素譜線變化較明顯，基體與鍍層之間以及鍍層中明顯痕跡線處銅譜線峰強

表1 鍍銀層能譜分析結果(質量分數)Tab.1 Analysis results of energy spectrum on silver coating (mass fraction) %

圖9 鍍銀層線掃描能譜Fig.9 Line scan energy spectrum on silver coating: a) sample A1; b) sample B2

較高，分析認為該試樣鍍銀時在基體表面進行了預鍍銅處理，之后鍍銀過程中又進行了一次鍍銅操作后繼續鍍銀；試樣B2中只有銀、鐵兩種元素譜線變化較明顯，基體與鍍層之間無明顯其他元素峰出現，僅僅是銀峰明顯增強，鐵峰相對應減弱，其他元素比較平穩[5]。

3 分析與討論

抽取的兩個牙輪鉆頭的鍍銀層表面形貌無明顯差別，XRD顯示均為純銀峰、無雜峰，區別在于經過熱震試驗后鍍銀層與基體之間的結合情況不同。

在使用光學顯微鏡和SEM觀察橫截面試樣時，基體與鍍層的結合處線性越好說明基體表面的粗糙度越小，表面越光滑；反之基體與鍍層結合處越凹凸不平，說明基體表面粗糙度越大，表面越粗糙。當基體表面較粗糙即粗糙度較大時，即使進行了預鍍銅操作，鍍銀層經過熱震試驗后仍與基體發生了不同程度的分離，而基體平滑即粗糙度較小的鉆頭內孔，結合情況仍良好[6]。

綜合分析認為，鍍銀層與基體之間的結合力受基體表面粗糙度影響較大，一方面粗糙度較大時基體表面不夠平滑，影響鍍前基體表面污物及氧化層的預處理效果，基體表面容易附著各種污物及不易活化的氧化層，成為阻礙電解液和金屬表面直接接觸的中間夾層[7]；另一方面較大的粗糙度不利于鍍層的連續性和完整性，一旦鍍層遭到破壞就會喪失良好的耐腐蝕性能和潤滑作用，然后環境中的有害氣氛及摩擦副會對鍍層產生進一步破壞。

4 結論及建議

(1) 鍍銀層外觀和純度基本一致的兩個牙輪鉆頭，會由于基體的表面粗糙度不同造成基體與鍍銀層之間的結合強度不同，降低基體的表面粗糙度可提高鍍銀層的結合強度及耐磨性。

(2) 建議降低牙輪內孔的表面粗糙度，對基體表面進行光滑處理，以提高鍍銀層結合力及耐磨性。