電流密度對(duì)鈷?碳化鉻復(fù)合電鍍層組織的影響

王帥 ，劉建明 ，黃凌峰 ，劉通 ，張?chǎng)?

（1.礦冶科技集團(tuán)有限公司，北京 100160；2.北京市工業(yè)部件表面強(qiáng)化與修復(fù)工程技術(shù)研究中心，北京 102206；3.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

在鍍液中添加一種或多種不同尺寸的不溶于鍍液的顆粒，使之在鍍液中懸浮或者配置于基體表面，通過(guò)金屬離子的陰極還原，得以將微粒均勻地包裹，使之進(jìn)入鍍層中的過(guò)程叫復(fù)合電鍍，又叫分散電鍍、組合電鍍等[1-2]。添加的顆粒增強(qiáng)相使鍍層具有了更加優(yōu)異的綜合性能，從而擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

鈷基復(fù)合鍍層具有優(yōu)良的耐高溫磨損性能，尤其是在700 °C時(shí)仍能保持一定的硬度，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其中Co–Cr3C2復(fù)合鍍層與大多數(shù)飛機(jī)材料的組合都具有良好的界面匹配性能，且在高于300 °C工作時(shí)隨著溫度升高，鍍層表面會(huì)生成一層玻璃釉層，具有良好的減磨作用[3-6]。然而目前關(guān)于Co–Cr3C2復(fù)合鍍層的工藝研究報(bào)道較少，工藝參數(shù)對(duì)Co–Cr3C2鍍層質(zhì)量的影響規(guī)律尚不明確。為提高鍍層質(zhì)量，本文通過(guò)復(fù)合電鍍方法制備了Co–Cr3C2復(fù)合鍍層，研究了不同電流密度對(duì)鍍層質(zhì)量的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

基材采用鎳基高溫合金GH4169，試樣直徑25 mm、厚度4 mm?；脑谶M(jìn)行復(fù)合電鍍之前進(jìn)行如下表面處理：打磨→去離子水沖洗→活化→去離子水沖洗。復(fù)合鍍液采用去離子水配制，其基本成分是CoSO4·7H2O 400 g/L、NaCl 20 g/L和H3BO330 g/L，所用Cr3C2粉末粒徑為2～10 μm，試驗(yàn)的電流密度分別為5、6、7和8 A/dm2。

采用上海東方光學(xué)儀器有限公司的XTL-240顯微鏡觀察試樣表面形貌。采用BRILLANT 220型自動(dòng)切割機(jī)將制得的帶鍍層的試樣切開，獲取鍍層斷面，進(jìn)行金相冷鑲制樣，400號(hào)、800號(hào)和1000號(hào)砂紙依次打磨后拋光。利用HITACHI SU5000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層表面形貌，并利用附帶的能譜儀(EDS)測(cè)定鍍層中鉻的質(zhì)量分?jǐn)?shù)，采用差值法計(jì)算鍍層中碳化鉻的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 電流密度對(duì)鍍層形貌的影響

由圖1可見(jiàn)，隨著電流密度升高，鍍層表面先致密后粗糙。分析認(rèn)為：陰極電流密度較小時(shí)，金屬沉積較慢，鍍液會(huì)將來(lái)不及被鑲嵌的顆粒沖走，導(dǎo)致金屬顆粒不容易被鑲嵌，因此鍍層表面較為平整；隨著電流密度增大至6 A/dm2，金屬沉積速率增大，金屬顆粒更易被捕獲，鍍層孔隙減少，鍍層逐漸趨于致密；電流密度進(jìn)一步增大至7 A/dm2和8 A/dm2時(shí)，金屬沉積過(guò)快，鍍層內(nèi)部結(jié)晶過(guò)快，鍍層表觀粗糙。

圖1 不同電流密度下所得Co–Cr3C2復(fù)合鍍層的宏觀形貌Figure 1 Macro-morphologies of Co–Cr3C2 composite coatings electroplated at different current densities

由圖2可見(jiàn)，4種電流密度下的鍍層組織均勻，但當(dāng)電流密度為5、7和8 A/dm2時(shí)，可明顯看到鍍層最上端存在凸起問(wèn)題；當(dāng)電流密度為6 A/dm2時(shí)，最上端鍍層較為平整，這與宏觀觀察結(jié)果一致。分析認(rèn)為，隨著電流密度增加，金屬沉積速率加快，導(dǎo)致鍍層結(jié)晶過(guò)快，結(jié)合不牢固。對(duì)比圖2b、2c和2d可以看出，當(dāng)電流密度為7 A/dm2和8 A/dm2時(shí)，鍍層內(nèi)的粉末與電流密度為6 A/dm2時(shí)相比大為減少，這可能是因?yàn)殡S著電流密度的增加，粉末的沉積速率趕不上金屬沉積的速率，于是導(dǎo)致粉末復(fù)合量下降。

2.2 電流密度對(duì)鍍層生長(zhǎng)速率的影響

采用稱重法研究不同電流密度下鍍層的生長(zhǎng)速率v，電鍍時(shí)間均為3 h，按式(1)[7]進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如圖3所示。

式中m1是未電鍍時(shí)試樣的質(zhì)量(單位：mg)，m2是電鍍后試樣的質(zhì)量(單位：mg)，A是鍍層面積(單位：cm2)，t是電鍍時(shí)間(單位：s)。

圖2 不同電流密度下所得Co–Cr3C2復(fù)合鍍層的剖面組織微觀形貌Figure 2 Cross-sectional micromorphologies of Co–Cr3C2 composite coatings electroplated at different current densities

如圖3所示，隨著電流密度的增大，鍍層生長(zhǎng)速率逐漸增大，當(dāng)電流密度由5 A/dm2增大到6 A/dm2時(shí)，鍍層生長(zhǎng)速率提高了24%；但當(dāng)電流密度為7 A/dm2和8 A/dm2時(shí)，鍍層生長(zhǎng)速率增大幅度變緩。由式(2)所示的塔菲爾公式可知，電流密度低(如5 A/dm2)時(shí)，電沉積的原動(dòng)力(電極過(guò)電位)較??；增大電流密度(如6 A/dm2)，電極的放電能力增加，電極過(guò)電位加大，沉積速率將會(huì)提高；但是當(dāng)電流密度增大到一定程度(如7 A/dm2和8 A/dm2)時(shí)，粉末沉積速率趕不上金屬沉積速率，導(dǎo)致鍍層中粉末復(fù)合量下降，試樣電鍍后的增重變小，整體體現(xiàn)就是鍍層的生長(zhǎng)速率增加變緩。

式中η是過(guò)電位，j是電流密度，a和b是塔菲爾常數(shù)(與電極材料表面狀態(tài)、溫度、濃度有關(guān))。

2.3 電流密度對(duì)鍍層粉末復(fù)合量的影響

由圖4可以看出，隨著電流密度的增大，粉末復(fù)合量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，這有力地佐證了2.2節(jié)的分析。

圖3 電流密度對(duì)Co–Cr3C2復(fù)合鍍層生長(zhǎng)速率的影響Figure 3 Effect of current density on deposition rate of Co–Cr3C2 composite coating

圖4 電流密度對(duì)Co–Cr3C2鍍層中粉末復(fù)合量的影響Figure 4 Effect of current density on content of particles in Co–Cr3C2 composite coating

3 結(jié)論

(1) 隨著電流密度逐漸增大，鍍層形貌先變致密后變粗糙，沉積速率逐漸增大，但增大幅度在6 A/dm2以上時(shí)趨緩，粉末復(fù)合量則呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢(shì)。

(2) 結(jié)合電流密度對(duì)鍍層組織、生長(zhǎng)速率及粉末復(fù)合量的影響，在所試驗(yàn)的參數(shù)范圍內(nèi)，電流密度為6 A/dm2時(shí)獲得的鍍層外觀質(zhì)量最好，粉末復(fù)合量最高，組織均勻性也較好。