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，且無法實(shí)現(xiàn)對在役構(gòu)件的快速修復(fù)。

本文擬采用電刷鍍技術(shù)對30Cr13不銹鋼進(jìn)行表面處理，研究電刷鍍Ni對其硬度、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#砂紙逐級打磨，再用丙酮清洗干凈，確?；w表面平整光潔。采用JLT-D型鍍筆，實(shí)驗(yàn)過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)工作站開展動(dòng)電位極化掃描測試，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。測試介質(zhì)為去離子水，待開路電位穩(wěn)定后才開始測試，掃描速率為2.0 mV/s。

采用上海研潤光機(jī)科技有限公司HRS-150型數(shù)顯洛氏硬度計(jì)測量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，載荷0.2 N，加載時(shí)間10 s，為方便與30Cr13鋼進(jìn)行對比分析，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，取平均值。

采用高鐵檢測儀器(東莞)有限公司GT-7012-BC型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對不同試樣開展摩擦磨損試驗(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。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。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渡的變化趨勢，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?？梢婋娝㈠僋i后腐蝕電位正移，腐蝕電流密度降低了1個(gè)數(shù)量級，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。這說明電刷鍍Ni能夠顯著改善30Cr13鋼的耐磨性，與顯微硬度測試結(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，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。