電刷鍍鎳對(duì)30Cr13鋼耐腐蝕和力學(xué)性能的影響

賀秀麗，馬千鈞，梁紅玉, ，高源谷，楊繼紅，馬增新

1.太原工業(yè)學(xué)院機(jī)械工程系，山西 太原 030008

2.山西互昇科技有限公司，山西 晉中 038300

30Cr13鋼是一種馬氏體不銹鋼，常用于制造各種刀具(如醫(yī)療器械手術(shù)用具)、剪具和一些重要零部件(如軸承)。由于服役環(huán)境多變，此類構(gòu)件通常需要具備良好的機(jī)械性能(如硬度)和耐腐蝕性能[1-3]。電刷鍍技術(shù)利用電化學(xué)工作原理在構(gòu)件表面快速形成金屬層，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)構(gòu)件表面的快速修復(fù)和使用。電刷鍍由于具有設(shè)備便攜、操作簡(jiǎn)單、沉積速率高、快速修復(fù)等特點(diǎn)，因此在各行業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛[4-5]。

陳虎等[6]對(duì)316L不銹鋼表面電刷鍍Ni，雖然所得Ni鍍層較薄并存在微裂紋，但仍可滿足釬焊對(duì)鍍層厚度、結(jié)合力和抗高溫能力的要求。盧潔等[7]以銅片為基材電刷鍍Ag，研究了刷鍍前電凈、活化，以及刷鍍液組成和工藝參數(shù)對(duì)電刷鍍Ag效果的影響，最終得到表面平整光潔、厚度均勻的Ag鍍層。金亦輝等[8]和Wang等[9]對(duì)不銹鋼網(wǎng)電刷鍍而得到超疏水不銹鋼網(wǎng)，可用于高效分離多種油水混合物。吳華英等[10]嘗試對(duì)快速模具型殼材料3Cr13鋼進(jìn)行電弧噴涂，結(jié)果表明電弧噴涂可有效提高材料表面性能，滿足模具件制造和應(yīng)用的要求。但電弧噴涂技術(shù)相較于電刷鍍技術(shù)工藝復(fù)雜，且無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)在役構(gòu)件的快速修復(fù)。

本文擬采用電刷鍍技術(shù)對(duì)30Cr13不銹鋼進(jìn)行表面處理，研究電刷鍍Ni對(duì)其硬度、耐磨和耐腐蝕性能的影響，為30Cr13鋼在醫(yī)用刀具、剪具，以及工業(yè)軸承等重要零部件方面的進(jìn)一步推廣應(yīng)用提供理論支持。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 材料

基體為120 mm × 10 mm × 5 mm的30Cr13不銹鋼板材，其化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì))為：C 0.26% ～ 0.35%，Cr 12.00% ～ 14.00%，Si 1.00%，Mn 1.00%，P 0.04%，S 0.03%，F(xiàn)e余量。

電刷鍍處理前先采用400#、800#、1000#和1500#砂紙逐級(jí)打磨，再用丙酮清洗干凈，確保基體表面平整光潔。采用JLT-D型鍍筆，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用刷鍍包布包裹鍍筆表面。

1.2 電刷鍍鎳工藝流程

主要工藝流程為：電凈→水洗→活化→電刷鍍特殊鎳→堿銅修補(bǔ)→電刷鍍快速鎳。

1.2.1 電凈

NaOH 20 ～ 30 g/L，Na3PO450 ～ 70 g/L，Na2CO320 ～ 30 g/L，NaCl 2 g/L，pH 12，常溫，電壓10 V，時(shí)間約3 min。

1.2.2 活化

活化1：濃鹽酸10 ～ 30 mL/L，NaCl 110 ～ 120 g/L，pH 0.4 ～ 0.6，常溫，電壓10 ～ 12 V，鍍筆移動(dòng)速率3 ～ 5 m/min，時(shí)間約20 s。

活化2：檸檬酸三鈉130 ～ 160 g/L，檸檬酸90 ～ 100 g/L，NaCl 2 ～ 5 g/L，pH 3 ～ 4，常溫，電壓12 V，鍍筆移動(dòng)速率3 ～ 5 m/min，時(shí)間約30 s。

活化3：濃硫酸70 ～ 90 g/L，(NH4)2SO490 ～ 110 g/L，H3PO43 ～ 5 g/L，H2SiF84 ～ 6 g/L，pH 0.5，常溫，電壓13 V，鍍筆移動(dòng)速率3 ～ 5 m/min，時(shí)間約1 min。

1.2.3 電刷鍍特殊鎳

NiCl2·6H2O 30 ～ 50 g/L，NiSO4·6H2O 250 ～ 300 g/L，濃鹽酸20 ～ 40 mL/L，pH 0.5，常溫，鍍筆移動(dòng)速率5 ～ 10 m/min，先以電壓15 V沖擊鍍30 s，再以電壓13 V刷鍍1 min。

1.2.4 堿銅修補(bǔ)

CuSO4230 ～ 270 g/L，乙二胺110 ～ 135 g/L，pH 9.5，常溫，電壓6 V，鍍筆移動(dòng)速率3 ～ 5 m/min，時(shí)間約40 s。

1.2.5 電刷鍍快速鎳

NiSO4·6H2O 240 ～ 250 g/L，Na3C6H5O7·2H2O 55 ～ 75 g/L，NH3·H2O 100 ～ 120 mL/L，CH3COONH420 ～ 30 g/L，pH 7.5，常溫，電壓13 V，鍍筆移動(dòng)速率5 ～ 10 m/min，時(shí)間約5 min。

1.3 性能檢測(cè)和分析

采用JSM 7200F掃描電子顯微鏡(SEM)及Oxford ZNCA150能譜分析儀(EDS)分析鍍層的表面形貌和元素成分。

采用PGSTAT30電化學(xué)工作站開(kāi)展動(dòng)電位極化掃描測(cè)試，以飽和甘汞電極(SCE)做參比電極，鉑電極做輔助電極，刷鍍前后的30Cr13鋼(工作面為10 mm × 10 mm)做工作電極。測(cè)試介質(zhì)為去離子水，待開(kāi)路電位穩(wěn)定后才開(kāi)始測(cè)試，掃描速率為2.0 mV/s。

采用上海研潤(rùn)光機(jī)科技有限公司HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測(cè)量30Cr13鋼基體的硬度。Ni鍍層的硬度采用濟(jì)南方圓試驗(yàn)儀器有限公司HTV-1000顯微維氏硬度計(jì)檢測(cè)，載荷0.2 N，加載時(shí)間10 s，為方便與30Cr13鋼進(jìn)行對(duì)比分析，利用顯微維氏硬度計(jì)自帶的系統(tǒng)將Ni鍍層的顯微硬度自動(dòng)換算為洛氏硬度。每種試樣至少選取5個(gè)點(diǎn)檢測(cè)，取平均值。

采用高鐵檢測(cè)儀器(東莞)有限公司GT-7012-BC型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)不同試樣開(kāi)展摩擦磨損試驗(yàn)，移動(dòng)速率為100 mm/min，摩擦距離為100 mm。

2 結(jié)果與討論

2.1 Ni鍍層的顯微結(jié)構(gòu)

從圖1可以看出，電刷鍍Ni層主要由胞狀顆粒組成，顆粒之間結(jié)合緊密，晶界清晰可見(jiàn)。部分胞狀顆粒團(tuán)聚在一起形成較大的胞狀顆粒，直徑在4.5 μm左右。從截面形貌可知，Ni鍍層的厚度約為20 μm，鍍層與基體之間緊密結(jié)合，說(shuō)明其結(jié)合力良好。

圖1 電刷鍍鎳層的表面(a)和截面(b)形貌 Figure 1 Surface (a) and cross-sectional (b) morphologies of electro-brush plated nickel coating

為了研究鍍層成分及其分布狀況，如圖2a所示采用能譜儀沿電刷鍍Ni試樣的截面進(jìn)行線掃描。從圖2b可知，Cr作為基體的主要合金元素，其含量曲線波動(dòng)不大；元素C和Ni的含量曲線波動(dòng)變化基本呈相反的趨勢(shì)。鍍層表面的Ni含量較高、C含量較低，這主要與截面試樣經(jīng)過(guò)打磨有關(guān)。在基體與鍍層界面附近的元素含量基本符合由基體向鍍層過(guò)渡的變化趨勢(shì)，即C含量由基體中的高含量轉(zhuǎn)變?yōu)殄儗又械牡秃?，而鍍層主要元素Ni的含量逐漸增大，反映了鍍層逐漸形成的過(guò)程。

圖2 電刷鍍鎳層截面EDS線掃方向(a)和分析結(jié)果(b) Figure 2 Line scanning direction by EDS (a) and corresponding analysis result (b) of electro-brush plated nickel coating

2.2 Ni鍍層的耐腐蝕性能

圖3 為電刷鍍Ni前后30Cr13鋼在去離子水中的動(dòng)電位極化曲線，采用Tafel直線外推法對(duì)圖3進(jìn)行擬合得到30Cr13鋼的腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為-0.390 9 V和2.37 × 10-5A/cm2，電刷鍍Ni層的腐蝕電位和腐蝕電流密度則分別為-0.199 2 V和2.37 × 10-6A/cm2?？梢?jiàn)電刷鍍Ni后腐蝕電位正移，腐蝕電流密度降低了1個(gè)數(shù)量級(jí)，表明電刷鍍Ni處理能夠顯著提高30Cr13不銹鋼的耐腐蝕性能。

圖3 30Cr13鋼基體和電刷鍍鎳層在去離子水中的動(dòng)電位極化曲線 Figure 3 Potentiodynamic polarization curves for 30Cr13 steel and electro-brush plated nickel coating in deionized water

2.3 Ni鍍層的力學(xué)性能

從圖4可知，30Cr13鋼的洛氏硬度較低，平均為34.09 HRC。電刷鍍Ni后平均洛氏硬度為45.72 HRC，明顯高于30Cr13鋼基體。

圖4 30Cr13鋼基體和電刷鍍鎳層的洛氏硬度 Figure 4 Rockwell hardness of 30Cr13 steel and electro-brush plated nickel coating

從圖5可以看出，與30Cr13鋼基體相比，電刷鍍Ni層發(fā)生磨損所需摩擦力更大。從圖6可以看出，摩擦磨損試驗(yàn)后30Cr13鋼基體與Ni鍍層表面均有磨痕，Ni鍍層表面的磨痕寬度和深度都比基體小。這說(shuō)明電刷鍍Ni能夠顯著改善30Cr13鋼的耐磨性，與顯微硬度測(cè)試結(jié)果相符。

圖5 30Cr13鋼基體和電刷鍍鎳層的摩擦磨損曲線 Figure 5 Friction and wear curves of 30Cr13 steel and electro-brush plated nickel coating

圖6 30Cr13鋼基體(a)和電刷鍍Ni層(b)的磨損形貌 Figure 6 Worn surface morphologies of 30Cr13 steel substrate (a) and electro-brush plated Ni coating (b)

3 結(jié)論

1) 對(duì)30Cr13鋼電刷鍍鎳，所得的Ni鍍層由胞狀顆粒組成，厚度約20 μm，與基體結(jié)合緊密。

2) 動(dòng)電位極化曲線的分析結(jié)果表明，電刷鍍鎳后30Cr13鋼在去離子水中的腐蝕電位正移，腐蝕電流密度降低了1個(gè)數(shù)量級(jí)，即耐腐蝕性能提高。

3) 電刷鍍鎳后，30Cr13鋼的洛氏硬度由34.09 HRC提高至45.72 HRC。在相同的磨損量下，電刷鍍鎳試樣所需表面摩擦力更大，即其耐磨性更佳。