機械裝備關(guān)鍵零部件表面鍍層性能研究

黃志偉，仝蓓蓓，劉玉賓

（黃河水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 開封 475004）

0 引言

電鍍是利用電解原理，在基體表面上均勻沉積金屬鍍層，改變基體表面性質(zhì)或尺寸，從而獲得保護性和各種功能性的表面層的技術(shù)，也可以用來修復(fù)磨損和加工失誤的工件。 由于工藝簡單、成本低廉，電鍍被廣泛應(yīng)用于機械裝備的零部件中[1-3]。 如，通過對汽缸內(nèi)壁、汽車軸承、汽車發(fā)動機的凸輪軸及連桿、曲軸軸頸等常發(fā)生磨損的表面鍍覆，可提高該零部件的強度、硬度、耐高溫、耐磨損、抗腐蝕等性能。 由于鍍層的質(zhì)量決定了零部件的使用性能及壽命，因此提高鍍層的質(zhì)量一直是電鍍科研的核心課題。

目前，機械裝備上的關(guān)鍵零部件多采用復(fù)合鍍工藝。 與單質(zhì)鍍層相比，它提高了硬度，鍍層的綜合機械性能也得到了提高，但是結(jié)果仍然不能令人滿意[4～5]。 本項目在電鍍鎳鈷合金鍍層的過程中，引入垂直離子沉積方向上的外加交變磁場，期望可以改善金屬離子的沉積狀態(tài)，細(xì)化晶粒尺寸，提高鍍層的硬度，達(dá)到改善鍍層質(zhì)量，延長機械裝備零部件的性能及使用壽命的目的。

1 實驗部分

1.1 鍍液成分

實驗所用鍍液成分為：NiSO2·7H2O（250g/L）、NiCl2·6H2O （40g/L）、CoSO4·6H2O（20g/L）、H3BO340（g/L）。 PH 值為4.5±0.1。

1.2 試劑

所有電鍍實驗用試劑均為分析純試劑，用蒸餾水配制。

1.3 工藝條件

鍍槽是用聚氯乙烯塑料自行焊制成的。 電熱水浴保溫于35±1℃，以鎳板作為陽極。 為了避免陽極極化，陽極的表面積為陰極的8 倍，陽極與陰極的間距為30 cm。 每個樣本制備完成后，電鍍液均需更新。 外加交變磁場采用自制銅線圈，銅線直徑0.1 mm，匝數(shù)為5 080，共9 層。 磁場線圈與交流變壓器相連，交流變壓器外加交流電（220V，50Hz）。在實驗中，用線圈兩端電壓值來控制磁場強度的大小。 磁力線分布垂直于金屬離子的沉積方向，有利于改變離子的沉積狀態(tài)，使其在陰極附近產(chǎn)生離子紊流，沖刷鍍層表面，抑制晶粒生長。

1.4 實驗方法

將經(jīng)過嚴(yán)格鍍前預(yù)處理的基體帶電快速放入電鍍槽鍍液中，進行大電流沖擊，沖擊電流密度為3A/dm2。 1min 后，將電流密度調(diào)整為1A/dm2進行加厚鍍，時間為2.5h。 然后，接通外加磁場線圈電源，線圈電壓分別為0V、60V、120V、150V、180V、230V、300V，在每種電壓下制備1 個鍍層樣本，然后將鍍層從陰極剝落。

1.5 實驗儀器

實驗采用電子掃描顯微鏡觀察沉積層表面形態(tài)，采用上海泰明光學(xué)儀器有限公司生產(chǎn)的HX-500 型顯微硬度測試儀進行顯微硬度測量，所用負(fù)荷為200 g，加載時間保持15 s。在每個鍍層上分別進行5次分散取點，然后取平均值，作為實驗結(jié)果。

2 結(jié)果與討論

2.1 外加交變磁場對鍍層形貌的影響

圖1 為不同外加交變磁場強度下鎳鈷合金鍍層的表面形貌。

圖1 鎳鈷合金鍍層表面SEM形貌Fig.1 Surface appearance of SEM of Ni-Co alloy coating

由圖1 可知：外加電壓為0 V 時，鍍層表面尺寸為1.5～2.0μm 的微粒占微?？倲?shù)的90%左右；外加電壓為230V 時，鍍層表面尺寸為1.5～2.0μm 的微粒只占微?？倲?shù)的25%左右，大多數(shù)微粒尺寸在0～1.0μm 之間。 在制備鎳鈷合金鍍層的過程中，外加磁場之所以能夠影響鍍層的離子沉積狀態(tài)，主要是因為洛倫磁力在鍍液中產(chǎn)生的磁流體力學(xué)效應(yīng)[6]，這種效應(yīng)的宏觀效果就是鍍液被攪拌，提高了金屬離子的沉積速率，增大了金屬離子沉積時對陰極表面的沖刷作用。 鍍液中的陽離子受電場力與磁場力的雙重作用，改變了運動軌跡，如圖2（a）所示。 在沉積過程中，陽離子所受電場力大小與方向都不變，但磁場力方向與大小均改變，離子改變了正常的沉積狀態(tài)（如圖2（b）），做近似曲線運動（如圖2（c）所示）。 在電場與磁場作用下，陽離子改變了正常的沉積狀態(tài)，以一定的角度和速度沖刷鍍層表面，抑制了晶粒的生長，使其形核率大于生長率[7]，從而使晶粒細(xì)化、鍍層致密，如圖1（b）所示。

圖2 不同受力狀況下金屬離子的沉積狀態(tài)Fig.2 Deposition of metal ion under different stresses

外加磁場強度較小時，金屬離子沉積對鎳鈷合金鍍層生長層的沖刷作用不夠明顯，陰極晶粒的形核率小于生長率。 當(dāng)外加磁場強度增大到一定程度時，金屬離子沉積時對陰極表面的沖刷作用使陰極晶粒的形核率大于生長率，晶粒得到細(xì)化，進而改變了鍍層的性能。

2.2 外加交變磁場對鍍層硬度的影響

經(jīng)對外加交變磁場電壓分別為0V、60V、120V、150V、180V、230V、300V 條件下所制得的鍍層硬度進行測試，得出其顯微硬度值分別為349HV、360HV、354HV、426HV、445HV、461HV、435HV。外加電壓對鍍層顯微硬度的影響如圖3 所示。

圖3 外加電壓對普通Ni-Co鍍層顯微硬度的影響Fig.3 Influence of extra voltage to normal Ni - Co coating micro-hardness

從圖3 中可以觀察到，外加電壓為0～120V 時，鍍層的顯微硬度變化不明顯；外加電壓大于120V 時，鍍層的顯傲硬度開始大幅上升，在230V 時達(dá)到461HV，硬度值高出本實驗所做無磁場影響下的Ni-Co 鍍層112 HV。從磁流體力學(xué)的角度分析，開始時，鍍層顯微硬度變化不大的原因可能是，磁場對改變離子沉積軌跡的影響能力不夠大，離子沉積時對表層晶粒生長層的沖刷作用不明顯，晶粒生長率仍然大于形核率，晶粒尺寸沒有得到有效的抑制。 當(dāng)外加電壓大于120 V 時，晶粒的生長率由于受磁場作用下離子紊流的影響，明顯小于形核率，晶粒尺寸得到有效的抑制，鍍層的顯微硬度升高很快，在230 V 時效果最為明顯。 根據(jù)Hall-Petch 公式[8]可知，隨著晶粒尺寸的細(xì)化，鎳鈷合金鍍層硬度升高，試驗結(jié)果與這一理論相一致。 隨著外加磁場電壓的進一步增大，離子對沉積層表面的沖刷加劇，形核率小于生長率，鍍層變得疏松，鍍層硬度開始呈下降趨勢。 這種試驗現(xiàn)象也與相關(guān)的研究結(jié)果相一致[9～11]。

3 結(jié)語

在電鍍過程中引入外加交變磁場，可廣泛應(yīng)用于機械裝備關(guān)鍵零部件的表面處理中，實現(xiàn)其耐磨、耐腐蝕及修復(fù)失效零件的功用。 采用這種方法，可以在低成本的情況下顯著提高鍍層質(zhì)量，延長零部件的使用壽命。 實驗為機械裝備中關(guān)鍵零部件表面質(zhì)量的提高提供了一種經(jīng)濟、環(huán)保、有效的新技術(shù)。 但是。 目前的研究還處在試驗階段，鍍層質(zhì)量的改善程度還有待進一步提高。

[1] 徐關(guān)慶. 汽車零件電鍍技術(shù)的發(fā)展與現(xiàn)狀[J]. 汽車工藝與材料，2003（2）：33-35.

[2] 廖一峰. 輪轂軸承化學(xué)鍍鎳-金剛石復(fù)合膜的耐磨性研究[J]. 軸承，2010（3）:18-20.

[3] 王洪濤，于志剛，高威. 表面技術(shù)在發(fā)動機缸體修復(fù)中的應(yīng)用[J]. 農(nóng)機使用與維修，2009（2）：25-26.

[4] 郭鶴桐，張三元. 復(fù)合鍍層[M]. 天津：天津大學(xué)出版社，1991:10-496.

[5] 王世逯. 復(fù)合電鍍層應(yīng)用的新動向[J]. 電鍍與精飾，2002,24（5）：37-38.

[6] Nikolic N D，Wang Hai, Cheng Hao, etal. Influence of the magnetic field and magnetoresistance on the electrodeposition of Ni nanocontacts in thin films and microwires[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materi als，2010(272～276):2436-2438.

[7] 張允成，胡如南，向榮. 電鍍手冊：上冊[M]. 北京：國防工業(yè)出版社，1997:79-92.

[8] F Lallemand，L Ricq, M Wery，et al. Kinetic and Morphological Investigation of Co-Fe Alloy Electrodeposi tion in the Presence of Organic Additives [J]. Surface and Coatings Technology，2009，63（3）：829-832.

[9] Chiba A，Niimi T，Kitayama H，etal.Inhibition by magnetic fields of the growth of zinc dendrites from alkaline zincate baths [J]. Surface and Coating Technology，1986，29:347-355.

[10] 楊中東，高彭，薛向欣，等. 穩(wěn)恒磁場下Ni-W 合金鍍膜的制備與耐蝕性 [J]. 中國有色金屬學(xué)報，2006，16(10):1712-1714.

[11] Tsubota Toshiki，Tanii Shunsuke，Ishida Toshihito，etal.Composite electroplating of Ni and surface -modified diamond particles with silane coupling regent [J].Diamond and Related Materials，2005，14（3～7）:610-612.