丁浩，包英超，朱世根

東華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，紡織裝備教育部工程研究中心，上海 201620

磨損和腐蝕是零件使用過程中常見的失效形式。近年來，隨著表面工程技術(shù)的不斷發(fā)展，對(duì)零件的修復(fù)和強(qiáng)化也引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。表面修復(fù)技術(shù)主要有電鍍、堆焊、熱噴涂、激光熔覆等[1-5]。電刷鍍具有快速沉積、鍍液種類多、成本低等一系列優(yōu)點(diǎn)，是最常用的表面修復(fù)技術(shù)之一。對(duì)于大尺寸修復(fù)問題，東華大學(xué)團(tuán)隊(duì)采用先電刷鍍?cè)龠M(jìn)行電接觸強(qiáng)化的方法，著重研究了鍍層與基體之間的結(jié)合及鍍層缺陷的改善，取得了一定的成果[6-8]。本文利用電刷鍍技術(shù)在鑄鐵表面獲得厚鎳鍍層，重點(diǎn)考察了鍍前弱活化時(shí)間對(duì)鍍層增厚的影響，以期為零件的大尺寸修復(fù)提供實(shí)用的技術(shù)方法。

1 實(shí)驗(yàn)

1. 1 電刷鍍鎳工藝

結(jié)合電刷鍍技術(shù)和電接觸強(qiáng)化技術(shù)在球墨鑄鐵表面制備厚度為1.6 mm 的Ni 鍍層。

電刷鍍實(shí)驗(yàn)使用KZY-200 型大功率電源(臨沂市蘭山區(qū)文波電源設(shè)備廠)在CQ6128A 臺(tái)式車床(臨沂金星機(jī)床有限公司)上進(jìn)行，采用直徑35 mm、長(zhǎng)1 500 mm 的QT500-7 球墨鑄鐵棒(江蘇省揚(yáng)州市聯(lián)恒金屬制品有限公司)作為基材。為保證被鍍工件表面與工作面形狀吻合，預(yù)處理時(shí)選用CY40×25 型月牙形石墨陽極鍍筆。電刷鍍工作層的陽極是90 mm × 30 mm × 12 mm 的高純鎳板。所用預(yù)處理溶液和刷鍍?nèi)芤?包括0 號(hào)電凈液、2 號(hào)活化液、3 號(hào)活化液、特殊鎳和可溶性陽極快速鎳)均由深圳市沈工新科科技有限公司提供。

參照東華大學(xué)團(tuán)隊(duì)前期有關(guān)球墨鑄鐵電刷鍍工藝的研究[8]，工藝流程為：預(yù)處理→電凈(0 號(hào)電凈液)→ 強(qiáng)活化(2 號(hào)活化液)→弱活化(3 號(hào)活化液)→電刷鍍打底層(特殊鎳溶液)→電刷鍍Ni 工作層(可溶性陽極快速鎳溶液)。

1. 2 電接觸強(qiáng)化

電接觸強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)在東華大學(xué)自主研發(fā)的電接觸強(qiáng)化儀[9-12]上進(jìn)行，調(diào)節(jié)功率使電流保持在26 ~ 30 kA 之間，氣缸壓強(qiáng)0.2 MPa，試樣轉(zhuǎn)速1 r/min，電極輪進(jìn)給速率1 mm/min。

1. 3 表征方法

利用XQ-2B 型金相試樣鑲嵌機(jī)(上海本杉儀器設(shè)備有限公司)制樣，在MP-2B 型磨拋機(jī)(上海光相制樣設(shè)備有限公司)上進(jìn)行研磨和拋光，采用VHX-950F 型超景深顯微鏡(基恩士中國(guó)有限公司)和Quanta250 型環(huán)境掃描電子顯微鏡(FEI)觀察試樣的組織形貌。

2 結(jié)果與討論

2. 1 弱活化時(shí)間對(duì)電刷鍍鎳的影響

2. 1. 1 基體的活化效果

工件經(jīng)預(yù)處理和電凈后，利用2 號(hào)活化液進(jìn)行強(qiáng)活化，隨后弱活化處理1.0、2.5 和3.0 min。從圖1 可知，強(qiáng)活化后工件整體呈灰黑色，弱活化1.0 min 后工件表面顏色變淺；弱活化時(shí)間延長(zhǎng)至2.5 min 后工件表面呈現(xiàn)銀灰色，繼續(xù)活化至3.0 min，基體表面又變黑。

圖1 弱活化處理不同時(shí)間后球墨鑄鐵的外觀Figure 1 Appearance of ductile iron after slight activation for different time

為了進(jìn)一步研究弱活化時(shí)間對(duì)基體表面狀態(tài)的影響，采用超景深顯微鏡觀察以上試樣的形貌。從圖2 可知，強(qiáng)活化后工件表面的機(jī)加工條紋已被腐蝕掉，表面凹凸不平，有大量黑色物質(zhì)殘留，這些黑色物質(zhì)是 強(qiáng)活化后留下的炭黑層；經(jīng)過1.0 min 弱活化后，部分黑色物質(zhì)被去除，整體呈現(xiàn)紅棕色，石墨顯露出來，表面整體高低不平；經(jīng)過2.5 min 弱活化后，試樣表面基本上沒有黑色物質(zhì)，較為平整，表明基體表面殘留的炭黑層已被除盡；繼續(xù)延長(zhǎng)弱活化時(shí)間至3.0 min，工件表面再次出現(xiàn)黑色物質(zhì)，部分區(qū)域出現(xiàn)較大的腐蝕凹坑，說明基體在弱活化液的作用下發(fā)生了輕度腐蝕。

圖2 弱活化處理不同時(shí)間后球墨鑄鐵的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of ductile iron after slight activation for different time

通常機(jī)械加工后的金屬表面可以分為外表面層和內(nèi)表面層，外表面層包括污染層、吸附氣體層和氧化層。2 號(hào)活化液的主要成分是氯化鈉和鹽酸，鹽酸能夠與基體表面的氧化物(如FeO、Fe2O3、Fe3O4等)發(fā)生反應(yīng)，起到去除氧化層的作用，但往往會(huì)在基體表面留下一層炭黑，通過清水沖洗的方式難以去除，因此后續(xù)還需要進(jìn)行弱活化處理[13]。3 號(hào)活化液含有檸檬酸、檸檬酸鈉及氯化鎳，弱活化過程中工件表面的炭黑層在較高電壓下被氧化成CO 或CO2而去除。但是檸檬酸能夠與多種金屬發(fā)生配位和氧化作用[14]，弱活化時(shí)間過長(zhǎng)會(huì)導(dǎo)致基體表面發(fā)生輕度腐蝕。因此，弱活化時(shí)間應(yīng)控制得當(dāng)。

2. 1. 2 Ni 鍍層厚度

在刷鍍工作層時(shí)發(fā)現(xiàn)，弱活化時(shí)間對(duì)鍍層的刷鍍效果影響較大。于是對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行打磨、電凈和強(qiáng)活化后弱活化不同時(shí)間，再刷鍍打底層和工作層。如圖3a 和圖3c 所示，刷鍍進(jìn)行到0.5 h 左右后，弱活化1.0 min和3.0 min 的試樣表面均出現(xiàn)起皮、剝落現(xiàn)象，使刷鍍無法繼續(xù)下去。而弱活化2.5 min 的基體持續(xù)電刷鍍至1.6 mm 厚都未出現(xiàn)剝落，如圖3b 所示。由此可見，弱活化時(shí)間過短或過長(zhǎng)均無法實(shí)現(xiàn)鍍層增厚。

圖3 弱活化不同時(shí)間后球墨鑄鐵表面電刷鍍鎳層的外觀Figure 3 Appearance of Ni coatings obtained by electro-brush plating on ductile iron after slight activation for different time

2. 1. 3 Ni 鍍層均勻性

對(duì)基體經(jīng)過打磨、電凈和強(qiáng)活化處理后，分別弱活化處理1.0、2.5 和3.0 min，隨后刷鍍打底層和工作層。鑒于弱活化1.0 min 和2.5 min 的試樣在刷鍍0.5 h 時(shí)出現(xiàn)了鍍層起皮剝落現(xiàn)象，因此在試樣刷鍍15 min 時(shí)就取樣，研磨、拋光后用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液對(duì)試樣進(jìn)行腐蝕，再用超景深顯微鏡觀察鍍層的截面形貌。由圖4a 可見，基體弱活化時(shí)間為1.0 min 時(shí)，鍍層的厚度為3 ~ 4 μm，鍍層不夠完整，厚度不均。由圖4b 可見，基體弱活化時(shí)間為2.5 min 時(shí)，鍍層的厚度為9 ~ 10 μm，鍍層完整、連續(xù)，厚度均勻，呈波浪狀分布，與基體結(jié)合緊密。由圖4c 可見，基體弱活化時(shí)間為3.0 min 時(shí)，鍍層的厚度為7 ~ 8 μm，表面凹陷的區(qū)域未見鍍層沉積，鍍層厚度不均，局部出現(xiàn)起皮現(xiàn)象。出現(xiàn)上述現(xiàn)象的原因可能是弱活化時(shí)間不足時(shí)，強(qiáng)活化留下的炭黑層去除不徹底，石墨裸露在基體表面，而石墨是疏水性材料，使刷鍍?nèi)芤簩?duì)基體的潤(rùn)濕效果變差，進(jìn)而影響金屬離子的沉積?；罨瘯r(shí)間過長(zhǎng)時(shí)，弱活化溶液對(duì)基體產(chǎn)生輕度腐蝕，基體表面存在的雜質(zhì)令金屬離子沉積變得困難，鍍層與基體之間的結(jié)合情況也較差。

圖4 弱活化不同時(shí)間后球墨鑄鐵表面電刷鍍15 min 所得鎳層的截面形貌Figure 4 Cross-sectional morphologies of Ni coatings obtained by electro-brush plating for 15 min on surface of ductile iron after slight activation for different time

由此可見，弱活化時(shí)間不足會(huì)導(dǎo)致鍍層沉積緩慢，局部難以沉積；弱活化時(shí)間過長(zhǎng)雖然對(duì)沉積速率無明顯影響，但鍍層厚度不均，局部也無法沉積；適宜的弱活化時(shí)間有助于獲得完整且厚度均勻的鍍層。

2. 2 電刷鍍鎳層對(duì)電接觸強(qiáng)化的適應(yīng)性

依次對(duì)球墨鑄鐵進(jìn)行打磨、電凈、強(qiáng)活化，弱活化2.5 min 后電刷鍍打底層和工作層，成功在表面制備了厚度為1.6 mm 的鍍層，最后進(jìn)行電接觸強(qiáng)化。

電接觸強(qiáng)化前，Ni 鍍層表面粗糙，由許多大小不一的顆粒堆疊而成，整體呈“菜花頭”狀，如圖3b 所示；電接觸強(qiáng)化后Ni 鍍層未發(fā)生剝落，表面較為光滑，堆積的顆粒被壓實(shí)，顆粒間的縫隙明顯減小，如圖5 所示。

圖5 電接觸強(qiáng)化后鎳鍍層的外觀Figure 5 Appearance of brush-plated nickel coating after electrical contact strengthening

為了進(jìn)一步觀察電接觸強(qiáng)化對(duì)鍍層組織的影響，對(duì)強(qiáng)化前后的Ni 鍍層取樣后依次進(jìn)行鑲嵌、研磨和拋光，然后用環(huán)境掃描電子顯微鏡觀察截面組織結(jié)構(gòu)。由圖6 可見，電刷鍍所得Ni 鍍層表面高低起伏較大，內(nèi)部存在大量分布不均的小孔、裂紋等缺陷。電接觸強(qiáng)化后鍍層平整性變好，內(nèi)部的孔洞和裂紋多數(shù)都得以消除，說明在熱壓耦合作用下鎳鍍層變得更為致密，與基體結(jié)合良好。

圖6 1.6 mm 厚的鎳鍍層在電接觸強(qiáng)化前(a)、后(b)的截面形貌Figure 6 Cross-sectional morphologies of 1.6 mm-thick nickel coating before (a) and after (b) electrical contact strengthening

由此可見，采用本工藝電刷鍍所得的厚Ni 鍍層對(duì)電接觸強(qiáng)化具有良好的適應(yīng)性，強(qiáng)化后Ni 鍍層未出現(xiàn)剝落，表面光滑，內(nèi)部缺陷和界面結(jié)合狀況都得到改善。

3 結(jié)論

結(jié)合電刷鍍技術(shù)和電接觸強(qiáng)化技術(shù)在球墨鑄鐵表面制備了厚度為1.6 mm 的Ni 鍍層。著重研究了弱活化 時(shí)間對(duì)球墨鑄鐵表面刷鍍厚Ni 鍍層的影響。當(dāng)弱活化時(shí)間為2.5 min 時(shí)，可在球墨鑄鐵表面電刷鍍得到合格的厚鎳鍍層。對(duì)厚鎳鍍層電接觸強(qiáng)化后，鍍層未出現(xiàn)剝落，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)及與基體的結(jié)合有一定程度的改善。