B4C微粒尺寸對(duì)鍍鐵層性能的影響

王金亮, 遲長志, 高洪生, 王寶祥

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新 123000）

B4C微粒尺寸對(duì)鍍鐵層性能的影響

王金亮, 遲長志, 高洪生, 王寶祥

（遼寧工程技術(shù)大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,遼寧阜新 123000）

通過電沉積工藝研究了在鍍液中添加不同尺寸的B4C微粒后所得鍍鐵層的表面形貌、顯微硬度、磨損量和腐蝕速率。結(jié)果表明:當(dāng)B4C微粒尺寸為20μm時(shí),鍍層可獲得最佳的綜合性能;B4C微粒過小,鍍層磨損量大;過大,微粒處產(chǎn)生裂紋源,耐蝕性差。

鍍鐵;復(fù)合鍍層;B4C微粒;顯微硬度;耐蝕性

0 前言

鍍鐵具有鍍速快、鍍層硬度高、耐磨性好、成本低、產(chǎn)生的廢液對(duì)環(huán)境的污染較小等優(yōu)點(diǎn),在機(jī)械零部件的修復(fù)方面有著廣泛應(yīng)用[1]。鍍鐵技術(shù)中一個(gè)主要的研究方向是進(jìn)一步強(qiáng)化鍍層。硬質(zhì)微粒B4C具有密度低、彈性模量高、耐磨及耐蝕等優(yōu)點(diǎn),是比較理想的增強(qiáng)材料。

本實(shí)驗(yàn)研究了添加不同尺寸的B4C微粒后所得鍍層的表面形貌、顯微硬度及腐蝕速率,找出最佳的微粒尺寸,并探討其對(duì)鍍鐵層各項(xiàng)性能指標(biāo)的影響規(guī)律。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

采用不對(duì)稱交-直流鍍鐵電源,雙陽極單陰極電極,并輔以機(jī)械攪拌機(jī)。試樣為普通Q 235鋼。鍍件與陽極均為長35 mm,寬20 mm,厚2 mm的長方體試樣。

1.2 工藝流程

1.3 鍍鐵工藝參數(shù)

FeCl2·4H2O 400 g/L,B4C 20 g/L,p H 值1.0,45℃,2 h。鍍液中加入的B4C微粒的直徑分別為10μm,20μm,30μm和40μm。

1.4 性能檢測(cè)

將施鍍后的試樣浸泡在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的HCl溶液中,時(shí)間為2 h,在規(guī)定時(shí)間下測(cè)定鍍層的腐蝕失重,將腐蝕失重折算為單位時(shí)間內(nèi)的腐蝕量來表達(dá)耐蝕性能指標(biāo)。用S7X-550型電子掃描顯微鏡觀察鍍鐵試樣的表面形貌,放大倍數(shù)為700倍。用71型顯微硬度計(jì)測(cè)量鍍層的硬度,加載重量為100 g。用ML-100型磨料磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)鍍層進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn),加壓載荷為30 N,磨損時(shí)間為3 min,磨盤上的砂紙為240#水磨砂紙。

2 結(jié)果與討論

2.1 B4C微粒尺寸對(duì)復(fù)合鍍層表面形貌的影響

圖1為B4C微粒尺寸對(duì)復(fù)合鍍層表面形貌的影響。由圖1可知:加入B4C微?？梢悦黠@減少鍍鐵層裂紋的數(shù)量,但隨著B4C微粒直徑的增加,周圍裂紋密度逐漸增加,當(dāng)B4C微粒的直徑增加到40 μm時(shí),可以清楚地看見微粒周圍布滿裂紋。

圖1 不同微粒直徑下所得鍍層的表面形貌

在鍍鐵層中存在大量的位錯(cuò)[2],位錯(cuò)缺陷成為鍍鐵層中潛在的裂紋源。在內(nèi)應(yīng)力的作用下,這些微觀缺陷的前沿形成復(fù)雜的三向應(yīng)力區(qū),誘使溶入鍍鐵層中的氫原子向該處擴(kuò)散聚集。當(dāng)氫原子擴(kuò)散到位錯(cuò)缺陷的空隙處時(shí),氫原子結(jié)合成氫分子,造成該處空間體積膨脹,形成更大的應(yīng)力。這種應(yīng)力達(dá)到一定數(shù)值時(shí),促使缺陷擴(kuò)展產(chǎn)生裂紋 。當(dāng)復(fù)合鍍層中存在B4C微粒時(shí),一旦鍍鐵層內(nèi)的裂紋擴(kuò)展接觸到B4C微粒時(shí),B4C微粒將阻止裂紋繼續(xù)延伸[4],從而中止了裂紋。另外,在 Fe-B4C共沉積過程中,B4C微粒是鑲嵌在復(fù)合鍍層中的,鍍鐵層中溶入的氫原子也可以在 Fe和B4C之間的界面釋放,這樣就減少了鍍鐵層中的擴(kuò)散氫,抑制了裂紋的產(chǎn)生[3]。但當(dāng)B4C微粒尺寸過大時(shí),其周圍的鐵沉積不均勻,造成應(yīng)力集中,超過鍍鐵層強(qiáng)度,產(chǎn)生大量的裂紋,此時(shí)微粒就成為新的裂紋源。

2.2 B4C微粒尺寸對(duì)鍍層顯微硬度的影響

圖2 B4C微粒直徑與顯微硬度的關(guān)系

圖2為B4C微粒尺寸對(duì)所得鍍層顯微硬度的影響。由圖2可知:當(dāng)微粒直徑為10μm時(shí)所得的復(fù)合鍍層的顯微硬度最高;當(dāng)微粒直徑為40μm時(shí),所得鍍層的顯微硬度最低;當(dāng)微粒直徑為10～20μm時(shí),鍍層顯微硬度下降較緩。這是因?yàn)槲⒘Ｔ诓煌睆较?細(xì)晶強(qiáng)化和位錯(cuò)強(qiáng)化有不同的作用效果[4]。位錯(cuò)強(qiáng)化隨著微粒直徑增加,引起的鍍層晶格畸變會(huì)加重,位錯(cuò)密度加大,故晶格畸變和位錯(cuò)強(qiáng)化作用不斷提高。對(duì)于細(xì)晶強(qiáng)化,當(dāng)微粒直徑增大時(shí),其數(shù)目變少,成核率降低,使細(xì)晶強(qiáng)化作用減弱[5]。在這兩種強(qiáng)化效果的共同作用下,使B4C微粒直徑在10μm時(shí)所得鍍層顯微硬度最大,而到20 μm時(shí)顯微硬度下降緩慢。

2.3 B4C微粒尺寸對(duì)鍍層耐蝕性的影響

圖3為B4C微粒尺寸對(duì)鍍層腐蝕速率的影響規(guī)律。由圖3可知:當(dāng)B4C微粒直徑為10μm時(shí),所得鍍層的耐蝕性能強(qiáng);當(dāng)其直徑為40μm時(shí),所得鍍層的耐蝕性較差。其原因可歸結(jié)為針孔的影響[6],當(dāng)B4C微粒直徑過大時(shí),會(huì)造成部分基體沒有鐵的沉積,使截面產(chǎn)生不規(guī)則的針孔。所以B4C微粒直徑為40μm時(shí),所得鍍層的耐蝕性較差。

圖3 B4C微粒直徑與腐蝕速率的關(guān)系

2.4 B4C微粒尺寸對(duì)鍍層磨損量的影響

圖4 不同B4C微粒直徑與磨損量的關(guān)系

圖4為B4C微粒尺寸對(duì)鍍層磨損量的影響。由圖4可知:隨著B4C微粒直徑的增大,復(fù)合鍍層的耐磨性提高。在電沉積過程中,鑲嵌在α-Fe基體上的硬質(zhì)B4C微粒起到支撐的作用,使較軟的鐵基體不受磨損,從而降低了復(fù)合鍍層的磨損量。在B4C微粒的質(zhì)量濃度相同的鍍液中,直徑較小的B4C微粒容易發(fā)生早期脫落,一方面導(dǎo)致材料的流失量增大,另外脫落的微粒轉(zhuǎn)化為硬質(zhì)磨料對(duì)材料產(chǎn)生附加磨損,使鍍層耐磨性下降[7]。隨著B4C微粒直徑的增大,使其與砂紙接觸的有效面積增加,減小了鐵基體的磨損,從而減小了整個(gè)復(fù)合鍍層的磨損量。

3 結(jié)論

綜上所述,B4C微粒的直徑為10μm時(shí)獲得的鍍層,其硬度和耐蝕性較好,但耐磨性較差;當(dāng)其直徑為40μm時(shí),所得復(fù)合鍍層的耐磨性增大,但有針孔出現(xiàn),耐蝕性差。綜合比較,B4C微粒直徑為20μm時(shí),所得復(fù)合鍍層的綜合性能最佳。

[1] 沈?qū)幰?表面處理工藝手冊(cè)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社,1991:135-138.

[2] 康煜平,陳立佳,趙忠檢.無刻蝕直流鍍鐵層的組織結(jié)構(gòu)與性能[J].金屬熱處理學(xué)報(bào),1999,20（3）:47-59.

[3] 田華,趙程,付平,等,SiC微粒對(duì)鍍鐵層表面形貌和結(jié)構(gòu)的影響[J].電鍍與精飾,2006,28（4）:13-16.

[4] 付平,田華,許雪,等.無刻蝕鍍鐵的工藝研究[J].青島科技大學(xué)學(xué)報(bào),2006,27（1）:50-53.

[5] 崔忠圻,覃耀春.金屬學(xué)與熱處理[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2001.

[6] 劉憶,楊森,殷錦捷,等,低溫鍍鐵時(shí)電流密度對(duì)鍍層性能的影響[J].電鍍與涂飾,2008,27（2）:9-10.

[7] 遲長志,趙樹國.電沉積SiC顆粒增強(qiáng)抗磨復(fù)合材料[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,1998,17（2）:169-172.

Effects of B4C Particles Size on the Performance of Iron Coating

WANGJin-liang, CHI Chang-zhi, GAO Hong-sheng, WANG Bao-xiang
（Liaoning Technical University,School of Material Science and Engineering,Fuxing 123000,China）

The surface morphology,micro-hardness,wear loss and corrosion rate of iron coating were investigated by adding B4C particles of different sizes in electrodepositing process.The results show that when B4C particle size is 20μm,the coating can obtain best comprehensive performance;if B4C particles are too small,coating wear loss will be large;and if B4C particles are too big,crack source will form at micro-particles,resulting in poor corrosion resistance.

iron plating;composite coating;B4C particles;micro-hardness;corrosion resistance

TQ 153

A

1000-4742（2011）04-0017-03

2010-10-18