低温镀铁层显微组织的分析

杨 森， 孙 凯， 邓汉忠

（辽宁工程技术大学矿业技术学院，辽宁葫芦岛125105）

·电 镀·

低温镀铁层显微组织的分析

杨 森， 孙 凯， 邓汉忠

（辽宁工程技术大学矿业技术学院，辽宁葫芦岛125105）

为了优化低温镀铁工艺并开展深入的理论研究，利用扫描电镜对镀铁层的表面形貌、断面形貌和微裂纹形貌进行了观察。结果表明：p H值较低时，析氢导致镀铁层内产生微裂纹或腐蚀坑；p H值较高时，形成Fe（OH）3并夹杂在镀铁层中，造成镀铁层表面疏松、粗糙。析氢是导致镀铁层表面产生微裂纹的根本原因，镀铁层表面应力加速微裂纹的产生和扩展。当p H值为1.0时，微裂纹较少，镀铁层组织致密，与基体结合较好。

低温镀铁层；表面形貌；断面形貌；微裂纹形貌

0 前言

无刻蚀低温镀铁工艺被广泛用于机械零部件修复和表面处理［1］。该工艺省略了传统的刻蚀工艺［2］，不仅降低了生产成本，还符合环保要求。若采用不对称交直流电镀工艺［3］，可有效增强镀铁层与基体的结合强度，改善镀铁层的质量。

以往的研究大多侧重低温镀铁工艺的应用［4-5］和镀铁层的性能［6］，对显微组织的研究较少。本文利用扫描电镜观察并分析了低温镀铁层的表面形貌、断面形貌和微裂纹形貌的形态和产生原因。这为今后的镀铁层组织结构与性能的改善提供了一定的理论基础，有利于优化低温镀铁工艺，并能扩大该工艺的工业应用范围。

1 实验

1.1 实验材料

实验采用的试样和阳极板材质均为45＃钢。镀件为长80 mm、直径10 mm的圆柱试样。两个对称阳极板长100 mm，宽25 mm，厚1 mm。阴阳极面积比约为1∶2。

1.2 镀铁工艺过程及参数

1.2.1 镀件前处理

用0＃、2＃、4＃、6＃砂纸依次磨光后，再用抛光机抛光至光亮；用1%的HCl溶液清洗5 min；用80%的Na2CO3溶液碱洗5 min；用蒸馏水清洗。

1.2.2 工艺过程

镀液制备 →镀 前处理 →利用自制不对称交-直流电源进行不对称交直流电镀（对称交流活化10 →min交流过20渡 min镀 →初转直流镀10 m→in全直流镀4 h→）镀后处理（20%的Na2 CO3溶5液浸 泡m →蒸i馏水n清洗 →吹风机干燥 →） 制样、检测

1.2.3 工艺参数

FeCl2·4 H2O 400 g／L，p H值0.5～1.5，温度50℃，电流密度14 A／dm2。

1.3 性能检测

将试样截取10 mm小段后，用0＃、2＃、4＃、6＃砂纸将断面打磨平整，并在抛光机上抛光至光亮。用XJL-02型立式金相显微镜观察试样断面无划痕后，用4%的硝酸酒精溶液腐蚀。采用SSX-550型扫描电镜观察并分析镀铁层的表面形貌、断面形貌和微裂纹形貌。

2 结果与讨论

2.1 镀铁层的表面形貌

图1为p H=0.5时所得低温镀铁层的表面形貌。由图1可知：镀铁层表面平整，其上分布着大块平滑、不规则的网状微裂纹，并且存在一些大小不等的腐蚀坑。

图2为优劣镀铁层的表面形貌对比。图2（a）为光滑镀件的表面形貌（p H=1.0）。镀铁层表面存在网状微裂纹，平整、光滑、致密，不存在明显的孔洞、粗糙等现象，无杂质吸附。图2（b）为粗糙镀件的表面形貌（p H=1.5）。镀铁层发黑且极其粗糙，表面凹凸不平，可认为产生桔皮现象，所以几乎看不见网状微裂纹。

镀铁电极反应过程为：

阳极

阴极

在电极反应过程中，阴极镀件表面铁的不断沉积，会使阴极界面附近铁离子的浓度瞬时下降；而阳极板上的铁不断氧化溶解，会使阳极界面附近铁离子的浓度瞬时升高，从而造成两极间的浓度差。因此，溶液中的铁离子除了具有电迁移作用外，还有因离子浓度差所造成的扩散运动，致使电极反应加剧，并不断地进行下去。在电场力的作用下，阴极除了沉积大量的铁离子外，还产生大量的氢气。大部分氢通过镀液逸出，但有部分氢进入镀层。这些氢在整个析氢量中占的比例虽然很小，但对于铁而言却是相当大的。氢以过饱和方式渗入镀层，除了一部分氢溶于铁原子晶格位置外，相当一部分氢则处于微观结构缺陷处，从而导致了图1、2中微裂纹的萌生和扩展。

图1中存在的腐蚀坑，是由于镀铁过程中伴有氢气析出，部分氢气被金属表面吸附，从而阻碍了铁离子的沉积。当氢气泡大到一定程度时便会迅速脱离金属表面，而一些小的气泡则有可能被封闭在镀层中，形成小气孔。此外，镀液中的杂质元素也会汇聚在气孔内，产生腐蚀坑。图2中，p H=1.0时所得镀铁层的质量较好。分析图2（b）所示镀铁层产生粗糙的原因，可能是由于p H值过高，镀液酸度低，造成镀液中存在过量的Fe3+，在施镀过程中形成Fe（OH）3并夹杂在镀铁层中，造成镀铁层质量下降。

由上述分析可知，析氢是镀铁层产生微裂纹的主要原因之一。适量Fe3+的存在能减少析氢，提高镀铁层的质量。电镀中为了减少析氢，除了适当控制阴极放电电位外，还要控制镀液中Fe3+的质量浓度及析氢量。

2.2 镀铁层的断面形貌

图3为低温镀铁层的断面形貌（p H=1.0）。图3中，镀件右侧为低碳钢基体，左侧为镀铁层。镀铁层厚度均匀、边缘平整光滑，且与基体结合良好。图3（a）为正常腐蚀状态下的断面形貌，基体组织清晰可见。图3（b）经深度腐蚀，基体与镀层分界线不明显，可认为基体与镀层组织连成一片。

镀层厚度均匀、边缘平整光滑、结合强度高，与不对称交流活化工艺有关。低碳钢在室温条件下的相组成是大量的铁素体和少量的渗碳体。在不对称交流活化作用下，由于铁的阳极效率高于阴极效率，导致低碳钢表面Fe2+的离解量略大于沉积量，同时使微观杂质在沉积的瞬间离开表面，即表面处于微融活化状态。由于铁素体的电位较渗碳体的负，因此，铁素体将优先溶解。同时Fe3C也会有少许溶解，因而在此微区内碳的浓度显著下降。当降至α-Fe的平衡浓度时，就会通过晶格的重组形成α-Fe，表现为部分Fe3C片变得不连续。这就为镀层原子延续基体的结构创造了有利的条件。在适宜的起镀电流作用下，将有大量的电子在瞬间被压入阴极，Fe2+迅速到达基体表面点阵附近，在原子的距离之内放电沉积，与基体形成了结合牢固的金属键，并且在很短的时间内镀层就覆盖了整个基体［7］。由上述分析可知，通过正确选用镀铁工艺规范，使镀铁层与基体金属有更多机会形成金属键，可提高镀铁层与基体之间的结合强度。

图4为不同倍数下观察到的镀铁层的断面形貌（p H=1.0）。

由图4（a）可知：镀铁层分为形貌不同的两层，靠近基体的那层为较细小的柱状晶区（即所谓的软镀层），对基体和坚硬镀铁层的连接起到过渡作用，避免镀铁层和基体直接连接产生过大的应力。随着向外表面延伸，柱状晶区消失，过渡到晶粒非常细小的细晶区，两者的分界线明显。图4（b）显示的镀铁层显微组织的重要特征是晶粒极为细小。由于金属镀层的形成过程实际上是外加电场作用下的结晶过程，镀层组织形貌主要取决于电结晶过程中的生长方式。由于不对称交流镀时采用的电流密度低，外加电场的影响较弱，离子迁移速率也较小，形核驱动力不足以独立成核，镀层结晶时主要依附于基体表面晶粒，沿着电场的方向生长，发生所谓的“垂直长大”［8］，从而形成柱状晶粒组织。而在正常直流镀时，随着电流密度的增大，离子迁移速率和镀铁层的结晶驱动力均增大，这些因素都将使镀铁层晶粒变细。当电流密度增大到一定程度时，晶粒由于晶核的迅速形成和长大而相互接触，无法再保持原先的柱状形态，而是形成晶粒非常细小的细晶区［9］。

2.3 镀铁层的微裂纹形貌

图5为不同倍数下观察到的镀铁层内的微裂纹形貌。在低温镀铁层的断面中，存在垂直于基体的线条状微裂纹，这些微裂纹一般长约10μm。析氢和镀层内存在内应力导致微裂纹的产生。

金属内部存在缺陷，提供了潜在的微裂纹源。在应力作用下，这些微观缺陷的前沿形成了三向应力区，诱使氢向该处扩散并聚集。这种现象可用氢的应力扩散理论来解释，如图6所示。镀层在内应力的作用下，在微裂纹敏感部位形成应力集中的三向应力区，氢就极力向这个区域扩散，应力也随之提高。当此部位氢的浓度达到临界值时，就会发生开裂和相应的扩展，氢又不断向新的三向应力区扩散，达到临界浓度时又发生了新的微裂纹扩展。这种过程可周而复始地进行，直至成为宏观裂纹。该过程的进展由氢的含量、逸出速率和内部的能量状态等而定。

由上述分析可知，析氢是镀层内产生微裂纹的根本原因，而镀层表面应力又加速了微裂纹的产生和扩展，所以采取适当措施控制析氢量可明显改善镀铁层的质量。

控制析氢量就是控制p H值。图7为不同p H值下所得镀铁层内的微裂纹比较。当p H值为0.5时，微裂纹细而密，基体、软镀层和镀铁层之间衔接紧密，结合较好。但当p H值低于0.5时，镀液中游离酸的含量过高，析氢量大，微裂纹过多。严重析氢还将导致镀铁层早期粗糙、镀厚能力下降，在镀铁层与基体交界处能看到分层现象。当p H值为1.0时，镀铁层本身非常致密，微裂纹明显变得粗大，且分布稀疏，镀铁层与基体的界面处无任何孔洞及明显的分界线，证明镀铁层与基体结合牢固。当p H值为1.5时，微裂纹粗大，且分布更加稀疏，甚至有粗大微裂纹延伸至镀层表面，但镀铁层与基体依然结合紧密。这是由于在阴极附近区域H+缺乏，导致生成Fe（OH）3并夹杂在镀铁层中，造成镀铁层脆性增大，微裂纹粗大且相对稀疏。若p H值继续升高，将会造成镀铁层结合强度降低，严重时能在镀铁层与基体交界处看到分层现象。通过图7（a）、7（c）、7（e）可以看出，当p H值为1.0时，镀铁层的组织结构较致密。

3 结论

（1）p H值较低时，析氢导致镀铁层内产生微裂纹或腐蚀坑；p H值较高时，形成Fe（OH）3并夹杂在镀铁层中，造成镀铁层表面疏松、粗糙。离子浓度差使反应不断进行下去，氢以过饱和方式渗入镀铁层，导致微裂纹的萌生和扩展。

（2）无刻蚀镀铁的不对称交流活化，使基体表面处于微融活化状态，镀铁层与基体形成金属键，使两者间的结合强度增大；离子迁移速率增大和镀铁层结晶驱动力增大，使晶粒变细。

（3）析氢是导致镀铁层表面产生微裂纹的根本原因，而镀铁层表面应力又加速了微裂纹的产生和扩展。当p H值为1.0时，微裂纹较少，镀铁层组织致密，与基体结合较好。

［1］ 孙凯，杨森，安宁.低温镀铁技术的发展与应用［J］.电镀与环保，2011，31（5）：1-3.

［2］ 姚能富.镀铁的研究［J］.西安公路学院学报，1994，14（4）：125-127.

［3］ 杨森，刘吉，李艳丽，等.稀土铈对低温镀铁层性能的影响［J］.材料保护，2013，46（3）：25-26.

［4］ 张亚萍.低温镀铁工艺在大型设备修复中的应用［J］.农机使用与维修，2009（1）：30-31.

［5］ HU X.Crankshaft restoration by iron plating［J］.Metal Finishing，1997（7）：98-100.

［6］ 杨森.低温镀铁液中Al2O3含量对镀层性能的影响［J］.材料保护，2010，43（8）：63-64.

［7］ 扈心坦，李希贺.无刻蚀镀铁层结合强度的研究［J］.理化检验：物理分册，1996，32（4）：17-19.

［8］ 石德珂.材料学基础［M］.北京：机械工业出版社，2000.

［9］ 刘洪涛，顾卡丽，李健，等.低温镀铁层的微观结构和摩擦学性能［J］.材料保护，2004，37（6）：7-8.

Analysis on Micro-structure of Low-temperature Iron Plating Coatings

YANG Sen， SUN Kai， DENG Han-zhong
（Mining Industry and Technology Institute，Liaoning Engineering and Technology University，Huludao 125105，China）

In order to optimize low-temperature iron plating technology and then carry out indepth theoretical study，the surface morphology，fracture surface morphology and micro-crack morphology of iron plating coatings were observed by scanning electron microscope.Results showed that hydrogen evolution lead to the appearance of micro-cracks or corrosion pits at lower p H value，while Fe（OH）3formation and mingled in iron plating coatings at higher p H value resulting in loose and rough surface morphology.Hydrogen evolution is the essential reason for appearance of micro-cracks in iron plating coatings.Moreover，surface stress accelerated the formation and propagation of micro-cracks.When p H value is 1.0，the obtained iron plating coatings featuring less micro-cracks and compact structure，and was combined closely with the substrate.

low-temperature iron plating coating；surface morphology；fracture surface morphology；micro-crack morphology

TQ 153 文献标志码：A 文章编号：1000-4742（2015）06-0001-04

2014-03-17