（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 智能制造系，四川 內(nèi)江641000）

0 前言

Ni-Co合金鍍層具有優(yōu)良的綜合性能，有望替代硬鉻鍍層，在儀器儀表、電子產(chǎn)品和冶煉裝備上有重要的應(yīng)用價(jià)值[1-2]。隨著現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展對(duì)材料的性能提出更高要求，Ni-Co合金鍍層越來(lái)越受到重視。

Cr12Mo V鋼作為一種優(yōu)質(zhì)模具鋼，被廣泛用于模具制造[3]。近年來(lái)，隨著零件質(zhì)量要求的不斷提高，對(duì)模具材料的性能提出了更高要求。因此，有必要通過(guò)表面強(qiáng)化來(lái)進(jìn)一步提高Cr12Mo V鋼的性能。本研究采用電沉積Ni-Co合金鍍層的方法對(duì)Cr 12Mo V鋼進(jìn)行表面強(qiáng)化，進(jìn)一步提高Cr 12Mo V鋼的硬度和耐磨性。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

基體為模具鋼（Cr12Mo V鋼），將其切割成尺寸為55 mm×30 mm×2 mm的試樣。預(yù)處理工藝流程為：打→—磨→—→—拋光除油清→—洗酸→—洗清→—洗干燥。陽(yáng)極為高純鎳板，先進(jìn)行除油處理，再用蒸餾水沖洗干凈后裝入陽(yáng)極袋中。陽(yáng)極表面積為基體表面積的兩倍。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用改進(jìn)的瓦特型鍍液，其組成為：NiSO4·6 H2O 250 g/L，CoSO4·7 H2O 30 g/L，NiCl2·6H2O 15 g/L，H3BO340 g/L，NaC7H9NSO51 g/L，NaC12H25SO40.2 g/L。電沉積Ni-Co合金鍍層時(shí)，用磁力攪拌器恒轉(zhuǎn)速（350 r/min）攪拌鍍液，鍍液pH值控制在4.0，鍍液溫度控制在50℃。選用直流穩(wěn)壓電源，設(shè)置恒流模式，電流密度為1～5 A/dm2。

Ni-Co合金鍍層的厚度約為35μm，為了便于測(cè)試分析，將合金鍍層裁剪成多個(gè)試樣。用Hitachi S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面形貌，用X射線能譜儀分析試樣的成分。

用HXD-1000型維氏硬度計(jì)測(cè)試試樣的硬度，施加載荷為100 g，保載時(shí)間為15 s。每個(gè)試樣上選取5個(gè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果取平均值。

在室溫、無(wú)潤(rùn)滑的條件下，用往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試試樣的耐磨性，施加載荷為5 N，往復(fù)行程為40 mm，時(shí)間為300 s。

2 結(jié)果與討論

2.1 合金鍍層的成分

表1為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的成分。由表1可知：電流密度對(duì)Ni-Co合金鍍層中Ni、Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)有較大的影響。隨著電流密度的增大，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低，而Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)升高。當(dāng)電流密度為1 A/dm2時(shí)，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為24.86%，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為75.14%。當(dāng)電流密度為5 A/dm2時(shí)，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最低為18.48%，Ni的質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高為81.52%。

表1 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的成分

Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨電流密度的增大而降低的主要原因是：（1）Co沉積受擴(kuò)散控制，陰極極化對(duì)Co沉積影響較大[4]。當(dāng)電流密度較小時(shí)，陰極極化較低，陰極面周圍被消耗的Co2+通過(guò)擴(kuò)散得以及時(shí)補(bǔ)充，有利于Co沉積，因而合金鍍層中Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。隨著電流密度的增大，陰極極化增大的同時(shí)也消耗了很多Co2+，陰極面周圍Co2+的質(zhì)量濃度下降，通過(guò)擴(kuò)散來(lái)不及補(bǔ)充，導(dǎo)致濃差極化加劇，不利于Co沉積，因而合金鍍層中Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。（2）隨著電流密度的增大，析氫量增多導(dǎo)致Ni-Co共沉積時(shí)的陰極電流效率降低，Co的分電流效率隨之降低，Co的沉積速率比Ni的沉積速率慢[5]，從而導(dǎo)致Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

2.2 合金鍍層的表面形貌

圖1為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的表面形貌。圖2為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的表面粗糙度。由圖1和圖2可知：當(dāng)電流密度為1 A/dm2時(shí)，合金鍍層較平整致密，表面粗糙度約為0.5μm。隨著電流密度的增大，合金鍍層的平整度和致密度均提高。當(dāng)電流密度達(dá)到3 A/dm2時(shí)，合金鍍層的表面形貌最好，表面粗糙度為0.4 μm左右。這是由于電流密度增大使陰極過(guò)電位提高，較高的陰極過(guò)電位促使晶核的形成速率比生長(zhǎng)速率快，從而使晶粒細(xì)化、組織致密。但當(dāng)電流密度超過(guò)3 A/dm2時(shí)，合金鍍層的平整度和致密度均降低，表面變得粗糙，晶粒粗化。隨著電流密度從3 A/dm2增至5 A/dm2，合金鍍層由細(xì)小顆粒狀形貌轉(zhuǎn)變成錐狀形貌，平整度和致密度都明顯降低。這是由于電流密度過(guò)高導(dǎo)致濃差極化加劇，析氫量增多造成針孔等缺陷。同時(shí)，陰極面周圍鍍液的pH值升高，容易形成金屬氫氧化物夾雜在合金鍍層中[6]，從而使合金鍍層的致密度降低。

圖1 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的表面形貌

合金鍍層的表面形貌除了受電沉積工藝條件的影響外，還受其自身成分的影響。Ni-Co共沉積屬于異常共沉積，共沉積時(shí)會(huì)形成以Co為溶質(zhì)原子、Ni為溶劑原子的置換型固溶體。由于Ni和Co的原子半徑不等，所以Co作為溶質(zhì)原子進(jìn)入Ni晶格的間隙中會(huì)引起晶格畸變[7]。Ni-Co合金鍍層中Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)對(duì)置換型固溶體的形成和生長(zhǎng)有一定影響，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高，越容易形成以Co為溶質(zhì)原子、Ni為溶劑原子的置換型固溶體。置換型固溶體的生長(zhǎng)容易引起晶格畸變，隨之產(chǎn)生大量的位錯(cuò)、空位等缺陷，使晶界數(shù)量增多，將大尺寸晶粒割裂成多個(gè)小尺寸晶粒，從而起到細(xì)化晶粒、提高合金鍍層平整度和致密度的作用。

圖2 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的表面粗糙度

2.3 合金鍍層的硬度

圖3為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的硬度。由圖3可知：當(dāng)電流密度從1 A/dm2增大到3 A/dm2時(shí)，合金鍍層的硬度從4.23 GPa增大到4.57 GPa。這是由于電流密度增大使晶粒細(xì)化，合金鍍層的平整度和致密度都提高，加之Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，能起到很好的固溶強(qiáng)化作用，所以合金鍍層的硬度增大。當(dāng)電流密度達(dá)到3 A/dm2時(shí)，合金鍍層的硬度最高。但當(dāng)電流密度超過(guò)3 A/dm2時(shí)，由于合金鍍層的平整度和致密度都降低，加之Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，導(dǎo)致合金鍍層的硬度降低。

圖3 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的硬度

2.4 合金鍍層的耐磨性

圖4為Ni-Co合金鍍層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線。由圖4可知：隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，合金鍍層的摩擦因數(shù)都在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。相比之下，電流密度為3 A/dm2時(shí)所得合金鍍層的摩擦因數(shù)波動(dòng)幅度較小，摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線較平滑。

圖4 Ni-Co合金鍍層的摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線

表2為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的平均摩擦因數(shù)。由表2可知：電流密度對(duì)合金鍍層的平均摩擦因數(shù)有一定的影響。隨著電流密度的增大，合金鍍層的平均摩擦因數(shù)先降低后升高；當(dāng)電流密度達(dá)到3 A/dm2時(shí)，合金鍍層的平均摩擦因數(shù)最低（為0.30），說(shuō)明其具有良好的耐磨性。

表2 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的平均摩擦因數(shù)

3 結(jié)論

（1）電流密度對(duì)Ni-Co合金鍍層的成分、表面形貌、硬度和耐磨性有一定的影響。

（2）隨著電流密度的增大，Co的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由24.86%降至18.48%；合金鍍層由細(xì)小顆粒狀形貌轉(zhuǎn)變成錐狀形貌，表面粗糙度先降低后升高；合金鍍層的硬度先增大后減小，平均摩擦因數(shù)先降低后升高。

（3）當(dāng)電流密度達(dá)到3 A/dm2時(shí)，Ni-Co合金鍍層晶粒細(xì)化、組織致密，表面粗糙度約為0.3μm，硬度達(dá)到4.57 GPa，平均摩擦因數(shù)為0.3，具有良好的耐磨性。