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        電流密度對鈷?碳化鉻復(fù)合電鍍層組織的影響

        2021-02-27 06:56:48王帥劉建明黃凌峰劉通張鑫
        電鍍與涂飾 2021年1期

        王帥 ,劉建明 ,黃凌峰 ,劉通 ,張鑫

        (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、800號和1000號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 電流密度對鍍層形貌的影響

        由圖1可見,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),金屬沉積過快,鍍層內(nèi)部結(jié)晶過快,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,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)晶過快,結(jié)合不牢固。對比圖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 電流密度對鍍層生長速率的影響

        采用稱重法研究不同電流密度下鍍層的生長速率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(電極過電位)較?。辉龃箅娏髅芏?如6 A/dm2),電極的放電能力增加,電極過電位加大,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)就是鍍層的生長速率增加變緩。

        式中η是過電位,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,這有力地佐證了2.2節(jié)的分析。

        圖3 電流密度對Co–Cr3C2復(fù)合鍍層生長速率的影響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。

        (2) 結(jié)合電流密度對鍍層組織、生長速率及粉末復(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。

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