电压对电刷镀纯钴镀层组织和性能的影响

2018-10-13杨阳唐振叶雄宋皓阳振宇

机械工程师 2018年10期

杨阳，唐振，叶雄，宋皓，阳振宇

（陆军装甲兵学院，北京 100072）

0 引言

电刷镀技术的起源比有槽电镀的稍晚，但是目前电刷镀技术已经日臻完善[1]。电刷镀技术是在有槽电镀的基础上逐渐形成的，起初是为了拓展有槽电镀技术，补齐电镀技术的缺口[2]。与槽镀不同的是，电刷镀的电流密度较大，沉积速率大大提高。工作时，使用的镀笔与镀件要具有一定的转动速率，得到断续的结晶镀层，使得镀层结构细化并得到高密度的位错，最终使得镀层具有很好的致密度、硬度以及耐磨性[3－4]。电刷镀技术作为一种表面工程技术，已经成为非常重要的机械类零部件表面维修与强化方式[5]。试验研究表明[6－8]，Co镀层具有良好的抗氧化性、耐蚀性以及耐磨性。Co镀层可控制与Ti合金组成摩擦副时的磨损[9]。该复合镀层在干燥环境中，抗高温氧化、耐磨损的最佳温度为300～800℃，并且在高于300℃环境中工作时，表面会生成一层氧化釉膜，显示出优越的耐磨性能[10－12]。

本文采用电刷镀方法在GH4169表面制备了纯Co镀层。研究了不同电压参数对Co镀层的表面形貌、相结构、显微硬度和耐磨性的影响。

1 实验过程

1.1 镀液成分及实验工艺

本文所采用的镀液配方如表1所示。

电刷镀前，对工件表面进行预处理：砂纸打磨→电净→活化→电刷镀特殊镍→电刷镀Co镀层→去离子水冲洗→无水乙醇冲洗→吹干→测试。完成每一道工序后都对工件表面进行去离子水清洗。温度为25℃，pH=4.0，使用电压为10、12、14、16、18、20、22、24、26、28V。

表1 镀液配方

1.2 实验设备及材料

试验所用设备为DSD－7S－S刷镀电源型直流电刷镀电源，采用QJDSD型号的石墨镀笔。刷镀阴极材料选用GH4169高温合金，该合金的成分质量分数为：C（0.02%～0.06%），Cr（17%～21%），Ni（50%～55%），Nb（5.0%～5.5%），B（不大于0.06%），Mg（不大于0.01%），Bi（不大于0.001%），Sn（不大于0.005%），Pb（不大于0.001%）。试样尺寸为15 mm×30 mm×3 mm。

1.3 镀层性能表征

采用Nova Nano SEM450/650型场发射扫面电子显微镜（FE－SEM）观察镀层的表面形貌。利用TR－2000型表面粗糙度测量仪测量复合镀层表面粗糙度，行程为8 mm。采用Buehler自动显微硬度仪测试复合镀层的显微硬度，载荷0.2 N，保持10 s，每个镀层测10个位置，计算平均值。采用CETR－3型摩擦磨损试验机测试镀层的摩擦因数，载荷为5 N，摩擦副为直径6 mm的GCr15钢球，摩擦频率5 Hz，摩擦行程4 mm，时间15 min。

2 结果与讨论

2.1 电压对Co镀层表面形貌的影响

图1为不同电压下所得Co镀层的表面形貌。从图1可知，Co镀层表面无裂纹。电压为10 V时（图1（a）），镀层表面的颗粒粗大，颗粒之间有空隙，复合镀层中致密度较低；当电压为22 V（图1（d））时，所得镀层致密度大大增加，镀层平整度也得到改善；当电压为28 V时（图1（j）），Co镀层的致密度最大，镀层最均匀，表面最平整。通过对比不同电压下的镀层，可以发现随着电压的增大，镀层密度逐渐增加，平整度不断改善。综合分析认为这是因为随着电压的升高，形核率提高，晶粒尺寸减小，镀层晶粒之间的空隙逐渐减小，镀层表面变得平整而致密。

图1 不同电压下所得Co镀层的表面形貌

2.2 电压对Co镀层表面粗糙度的影响

由图 2知，在电压10～22 V的变化范围内，镀层的表面粗糙度随着电刷镀电压的升高而不断下降，这是因为随着电压的升高，阴极极化现象增强，Co晶粒的形核率增加，晶粒逐渐变得细小，镀层愈发平整，则镀层的表面粗糙度逐渐下降，当电压超过22 V时，电压过大导致Co晶粒的沉积太快，以至于来不及沉积到“深洼处”，电压越大，这种趋势越明显，导致镀层的表面粗糙度上升。

图2 不同电压下所得钴镀层的表面粗糙度

2.3 电压对Co镀层结构的影响

图3 不同电压下钴镀层XRD谱图

通过X射线衍射对复合镀层进行结构分析，从图3中可以看出，Co镀层包含以下两种结构：样品在2θ为40.215°、42.605°、47.433°、51.181°等角度时有明显的衍射峰，这些峰分别对应于PDF卡（35－0804）Co的（230）、（150）、（060）、（051）晶面的特征峰。镀层样品在2θ为44.762°、75.939°、92.537°角度时有明显的衍射峰，这些峰分别对应于PDF卡（05－0727）Co的（002）、（110）、（112）晶面衍射峰。

2.4 Co镀层的显微硬度

图4 不同电压下所得Co镀层显微硬度

图5 不同电压下所得Co镀层的摩擦因数和磨痕宽度

图4为Co镀层的显微硬度随电压增大的变化趋势。从图4中可以看出，随着电压的不断升高，在10～22 V范围内，Co镀层的显微硬度升高；当电压高于22 V时，随着电压的提高，Co镀层的显微硬度减小。当电压为10～16 V时，镀层的硬度提高不明显；继续增大电压，镀层硬度显著提高；这是镀层内部晶粒细化的结果。继续增大电压并高于22 V时，硬度呈现下降趋势，镀层表面因电流密度过大受到烧伤而呈暗黑色，无法获得较为光洁的镀层。

2.5 Co镀层的耐磨性

图5为不同电压下所得Co镀层的摩擦磨损实验结果。由图5可知，在10～22 V范围内，随电压增大，Co镀层的摩擦因数和磨痕宽度减小，即镀层的耐磨性不断改善。随着电压的升高，镀层硬度上升，使得镀层的耐磨性逐渐改善。而当电压达到22 V时，镀层的摩擦因数和磨痕宽度增大，即镀层的耐磨性不断下降，这是由于镀层硬度降低引起的。钻镀层之所以耐磨是因为在磨损过程中，表面生成的Co3O4釉质膜有利于提高其耐磨性能；但另一方面，若釉质膜被磨损掉成为磨屑，则会加速材料的磨损[13]。