李書林等

摘 要：用化學(xué)鍍的方法對(duì)SiC表面進(jìn)行包覆鎳處理，防止其在等離子粉末堆焊制備熱應(yīng)力緩解型鍛模過程中出現(xiàn)的與其他金屬潤(rùn)濕性差，弱化界面，氧化燒損等缺陷，是制備高性能功能梯度熱鍛模的關(guān)鍵。采用酸性化學(xué)鍍的方法在粒度為180μm的SiC表面鍍覆了一層鎳磷合金。X射線衍射與能譜分析表明覆層為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)，掃描電鏡分析表明覆層均勻致密，并分析了不同攪拌模式下覆層的微觀結(jié)構(gòu)及生長(zhǎng)方式。結(jié)合比表面分析技術(shù)，提出了一種求粉體鍍覆速率及優(yōu)化粗化時(shí)間的方法。

關(guān)鍵詞：化學(xué)鍍，鎳包碳化硅粉體，生長(zhǎng)方式，比表面，鍍覆速率

引言

熱鍛成形是常用的金屬成形方法之一，用于諸多關(guān)鍵零部件的制造。熱鍛過程中，模具工作表面服役條件極其惡劣，嚴(yán)重影響模具服役壽命。目前，公認(rèn)的熱鍛模失效形式主要有機(jī)械疲勞、磨損、塑性變形和熱疲勞四種[1]。國內(nèi)外一些學(xué)者針對(duì)鍛模失效問題進(jìn)行了大量的研究，試圖探尋鍛模失效的最主要原因，雖然結(jié)果各自不一[2-5]，但都揭示出了鍛模工作時(shí)的高溫是造成鍛模失效的最根本原因之一。因此，提高鍛模熱強(qiáng)度、熱硬性、抗熱疲勞性能便成了鍛造行業(yè)亟待解決的課題。文獻(xiàn)[6，7]研究結(jié)果表明，有效緩解鍛模工作表面的熱應(yīng)力是提高鍛模壽命行之有效的手段。功能梯度材料（Functionally Gradient Materials， FGM），因材料內(nèi)部不存在明顯的界面，能成功緩和材料內(nèi)的熱應(yīng)力，被認(rèn)為是可應(yīng)用于高溫環(huán)境下的新一代功能材料[8， 9]。SiC陶瓷，因低密度、高硬度、高熱導(dǎo)率，低熱膨脹系數(shù)，耐磨、耐腐蝕、耐高溫氧化等優(yōu)點(diǎn)，在金屬基復(fù)合材料（Metal Matrix Composites， MMCs）中，被認(rèn)為是最有潛力的陶瓷增強(qiáng)相材料之一，受到廣泛關(guān)注[10]。作者試圖將FGM引入鍛模設(shè)計(jì)制造領(lǐng)，通過將SiC粉體與適用于鍛模的金屬基粉末按照一定的比例和特定的方法混合，用堆焊技術(shù)在普通模具鋼基體表面制成碳化硅增強(qiáng)MMCs梯度層，從而得到FGM熱鍛模，達(dá)到緩解鍛模熱應(yīng)力并提高其壽命的目的。然而，實(shí)踐表明，具有共價(jià)鍵的SiC陶瓷材料在與金屬基體結(jié)合過程中，由于彼此之間的性能差異，以及SiC在制備過程中的氧化燒損，使得制備出的FGM存在界面弱化，氣孔等缺陷，影響其使用性能。國外學(xué)者在使用SiC增強(qiáng)MMCs時(shí)，同樣面臨了上述問題，并針對(duì)該問題提出了一些表面改性方法，如氣相沉積， 溶膠-凝膠法。然而，氣相沉積由于工藝復(fù)雜，制備的涂層較薄，且成本過高，尚不具備工業(yè)化應(yīng)用的條件；溶膠凝膠法的膠體配制過程較為復(fù)雜，且需后續(xù)煅燒過程，制備周期較長(zhǎng)。而作為表面處理中較常見的化學(xué)鍍技術(shù)，因低成本、易于操作、且適合大規(guī)模生產(chǎn)，是比較成熟的表面覆層技術(shù)之一。目前，關(guān)于化學(xué)鍍方法制備覆層的報(bào)道較多，但對(duì)碳化硅粉體的化學(xué)鍍包覆改性研究則不很常見。一方面，由于粉體較大的比表面容易觸發(fā)鍍液分解失效，同時(shí)粉體鍍覆速率的計(jì)算相對(duì)復(fù)雜，且無相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)可供參考。目前，評(píng)價(jià)粉體鍍層厚度較為常見的方法為增重法（單位，g/min），該方法只能從宏觀上來判斷鍍覆速率，且不能與傳統(tǒng)的鍍覆速率（單位，μm/min）進(jìn)行比較，這顯然對(duì)粉體化學(xué)鍍鍍液配方和工藝參數(shù)優(yōu)化不利。本文通過引入比表面測(cè)試方法，給出了一種較為快捷的求粉體鍍覆速率和優(yōu)化粗化時(shí)間的方法。同時(shí)觀察了制備出的鎳包碳化硅復(fù)合粉體表面鍍層的微觀結(jié)構(gòu)，探討了覆層的生長(zhǎng)機(jī)制，研究前處理過程中粗化時(shí)間與粗化效果之間的關(guān)系，以及不同攪拌方式對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)的影響。連續(xù)攪拌模式下的鍍層表現(xiàn)更為光滑，鍍層顆粒感更強(qiáng)。為此，對(duì)兩種粉體隨機(jī)位置，拍攝了如c）、f）所示高放大倍數(shù)下的覆層微觀形貌，兩者均表明，覆層由大量的顆粒狀沉積構(gòu)成。不同之處在于，連續(xù)攪拌模式下，顆粒大部分呈現(xiàn)如c）中A處箭頭所示的規(guī)則球形且表面存在大量的樹枝晶，局部有如B箭頭所示的片層狀結(jié)構(gòu)；而間歇攪拌模式下，顆粒大部分呈現(xiàn)如f）中箭頭所指的平面結(jié)構(gòu)，局部有規(guī)則顆粒狀結(jié)構(gòu)。以上結(jié)果表明攪拌方式會(huì)影響覆層生長(zhǎng)模式，進(jìn)而影響其結(jié)構(gòu)。其產(chǎn)生的可能原因是攪拌方式影響了鍍液中離子的分布，進(jìn)而影響到形核、核長(zhǎng)大過程。間歇攪拌模式下，鎳沉積一旦發(fā)生，其界面前端參與反應(yīng)的離子可能因鍍液離子擴(kuò)散不充分而得不到及時(shí)補(bǔ)充，濃度便會(huì)迅速下降，使得覆層沿厚度方向的生長(zhǎng)變緩，此時(shí)覆層便沿著平面方向以特定的速度生長(zhǎng)，易形成如f）所示平面結(jié)構(gòu)。e）中C處箭頭所指為一溝壑狀壁壘，該壁壘一方面可能是由原始粉體形貌造成，另一方面也可能是由間歇攪拌下沉積速度不均引起，它的存在使得D處形成死角，鍍液擴(kuò)散相對(duì)不充分，于是該處出現(xiàn)明顯片層結(jié)構(gòu)覆層。當(dāng)鍍液攪拌充分時(shí)，離子分布均勻，則容易形成如c）圖中A所指的球團(tuán)狀結(jié)構(gòu)。該現(xiàn)象可用熱力學(xué)第二定律來解釋，因?yàn)榍蛐蔚谋缺砻娣e小，表面能低，可使體系自由能降低趨向穩(wěn)定。球團(tuán)表面大量的樹枝晶產(chǎn)生的原因可能是，一方面，化學(xué)鍍是一個(gè)選擇自催化沉積過程，即形核只能依附有催化活性的表面進(jìn)行，先前的球團(tuán)顆粒表面顯然具有催化活性，使得該處界面前沿具備形核長(zhǎng)所需的熱力學(xué)條件；另一方面由于界面吸附，使得界面前端反應(yīng)離子富集，便可能伴隨有“成分過冷”的發(fā)生。在上述因素的共同作用下，覆層/鍍液界面前端形成了最有利的形核、核長(zhǎng)大條件，便產(chǎn)生了樹枝晶。兩種攪拌模式下，反應(yīng)85 min后，鍍液中都產(chǎn)生了大量氣泡，且鍍液急劇變渾濁，這是由于在覆層界面上沉積的鎳顆粒，由于攪拌對(duì)流作用，擴(kuò)散至遠(yuǎn)離界面處的鍍液中，使得該處具備了“異質(zhì)形核”的條件，鍍液中的鎳離子與次亞磷酸根離子依附其上發(fā)生氧化還原反應(yīng)，出現(xiàn)了“內(nèi)生生長(zhǎng)”，大量的鎳離子生成，導(dǎo)致鍍液迅速自沉積降解，此時(shí)應(yīng)停止施鍍。

3.結(jié) 論

樹枝晶是Ni-P合金形核的一種形式，在施鍍過程中應(yīng)通過工藝控制，降低鍍液自分解的趨勢(shì)。

3.3.通過粉體的比表面測(cè)試，提出了一種計(jì)算粉體鍍覆速率的方法，使得粉體施鍍速率與傳統(tǒng)的塊狀施鍍速率單位統(tǒng)一，同時(shí)提供了一種優(yōu)化粉體粗化時(shí)間的方法。

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