刷鍍電壓對鎳鍍層組織及性能的影響

昌霞*，韓付會，陳龍，黃偉九

（重慶理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，重慶 400054）

電刷鍍技術(shù)是表面工程的重要組成部分，是電鍍技術(shù)的新發(fā)展[1-2]，由于該項技術(shù)具有設(shè)備操作簡單、鍍層種類多、結(jié)合強(qiáng)度高、鍍層沉積速率快、環(huán)境污染小、適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，已在機(jī)械、電子、交通、礦山、紡織、化工、軍事裝備等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用[3-5]。其中，鎳鍍層由于具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐磨損、耐腐蝕等性能，已成為應(yīng)用最多的刷鍍材料[6-7]。刷鍍電壓是刷鍍工藝中最重要的參數(shù)，對鍍層的質(zhì)量會產(chǎn)生重要影響[8-10]。本文分別于不同刷鍍電壓下在Q235 鋼表面制備鎳鍍層，系統(tǒng)地研究鍍層組織、耐磨耐蝕性能與刷鍍電壓的關(guān)系，為進(jìn)一步提高其在行業(yè)中的實際應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 實驗

1.1 材料及設(shè)備

選用普通碳素結(jié)構(gòu)鋼Q235 作鎳鍍層的基底材料，不銹鋼為陽極。電源為SDK-100AH 型高頻開關(guān)電刷鍍電源，鍍筆型號為TDB-I(n)，均由武漢材料保護(hù)研究所生產(chǎn)。

1.2 工藝流程

鍍前檢查及表面準(zhǔn)備─清洗─電凈─清洗─2 號活化液活化─清洗─3 號活化液活化─清洗─刷鍍過渡層特殊鎳─無電擦拭─刷鍍工作層快速鎳─清洗─吹干─測試。

1.3 配方與工藝

電凈液由氫氧化鈉、碳酸鈉、磷酸鈉、氯化鈉和微量添加劑組成，pH 11.0～13.0，工作電壓12 V，鍍筆移動速率80 mm/s，時間20 s。

2 號活化液由氯化鈀(作催化劑)、鹽酸和微量添加劑組成，pH 0.2～0.8，工作電壓8 V，鍍筆移動速率120 mm/s，時間30 s。

3 號活化液由檸檬酸三鈉、檸檬酸、氯化鎳和微量添加劑組成，pH 3.5～4.0，工作電壓20 V，鍍筆移動速率100 mm/s，時間20 s。

電刷鍍特殊鎳溶液由硫酸鎳、氯化鎳、鹽酸、乙酸組成，pH 0.8～1.0，零件接電源負(fù)極，先不通電，用鍍筆蘸特殊鎳擦拭零件表面3～5 s，再在18 V 工作電壓下沖鍍3～5 s，再降至12 V，鍍筆移動速率為120 mm/s，刷鍍1～2 μm。

電刷鍍快速鎳溶液由硫酸鎳，25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氨沙沙、檸檬酸銨、乙酸銨、草酸銨組成，pH 7.2～7.5，零件接電源負(fù)極，工作電壓分別為8、10、12 和14 V，鍍筆移動速率100 mm/s，時間20 s。

1.4 性能測試

采用JSM-6460LV 型掃描電子顯微鏡(日本電子株式會社)觀察鍍層的截面形貌，并結(jié)合測量軟件測定鍍層厚度；采用HVS-1000 型數(shù)顯顯微硬度計(上海大恒光學(xué)精密機(jī)械有限公司)測定鍍層截面的顯微硬度，載荷200 g，加載時間10 s，測量5 次，取平均值；采用M273 恒電位儀(美國Princeton Applied Research)進(jìn)行極化曲線測試，參比電極為標(biāo)準(zhǔn)飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑片，工作電極面積為0.785 cm2(直徑0.1 cm)，掃描速率為0.5 mV/s，電解質(zhì)為質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%的NaCl 水溶液，室溫。

室溫干滑動磨損試驗在HSR-2M 型高速往復(fù)摩擦試驗機(jī)(蘭州中科凱華科技開發(fā)有限公司)上進(jìn)行，采用球盤接觸方式，對偶件為直徑5 mm 的GCr15 軸承鋼球，硬度為61～63 HRC，測試載荷30 N，行程10 mm，線速率0.2 m/s，磨損時間10 min，摩擦因數(shù)由實驗儀器給出，用ALC110.4 型電子天平(上海亞津電子科技有限公司)稱量材料的磨損量，精度為0.1 mg，稱量3 次，取平均值。

2 結(jié)果與討論

2.1 截面形貌

圖1為在不同刷鍍電壓下所得鎳鍍層的截面照片。圖中上部分為鎳鍍層，下部分為基體。8 V 和10 V 時，鎳鍍層裂紋及氣孔較多，基體與鍍層結(jié)合處存在明顯的瑕疵，而14 V 時的鍍層較致密、平整，只有少量的氣孔和裂紋，基體與鍍層結(jié)合良好，有少部分缺陷。12 V 時的鍍層質(zhì)量最好，鍍層平整致密，均勻細(xì)致，且基體和鍍層結(jié)合處呈現(xiàn)明顯的冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度最高，鍍層厚度約為110 μm。鎳鍍層和基體必須有很高的結(jié)合強(qiáng)度才具有研究和應(yīng)用意義[11]。從圖1的結(jié)合效果來看，刷鍍電壓為12 V 時的結(jié)合情況最好，結(jié)合力最高，有利于鎳鍍層的更廣泛應(yīng)用。

2.2 顯微硬度

圖2是在不同刷鍍電壓下所得鎳鍍層平均顯微硬度的關(guān)系曲線。基體的顯微硬度為328.163 HV，刷鍍后鎳鍍層的顯微硬度增大。

圖1 刷鍍電壓對鎳鍍層截面形貌的影響Figure 1 Effect of brush plating voltage on cross-sectional morphology of nickel coating

圖2 刷鍍電壓對鎳鍍層顯微硬度的影響Figure 2 Effect of brush plating voltage on microhardness of nickel coating

從圖2可知，隨刷鍍電壓增大，鎳鍍層的顯微硬度顯著提高，起表面強(qiáng)化的作用，也在一定程度上提高了基體的耐磨性能。刷鍍電壓12 V 時所得的鍍層具有最高的顯微硬度，是其耐磨性能(詳見2.3 節(jié))最好的原因之一。

鎳鍍層的金相組織及顯微硬度均與工作電壓有關(guān)，其顯微硬度隨工作電壓增加呈先增后減的趨勢。電壓為8 V 時，由于晶核的成核速率小于生長速率，鍍層晶粒粗大，表面粗糙；增大電壓到10 V 時，鍍層結(jié)晶細(xì)密，組織均勻細(xì)小，塑性變形較均勻；超過12 V后，會有大量細(xì)晶粒的堆積，從而使鍍層組織疏松，應(yīng)力增大，缺陷增加，裂紋擴(kuò)展，硬度減小。

2.3 磨損性能

刷鍍電壓對鎳鍍層耐磨性的影響見圖3。從圖3可知，刷鍍電壓為12 V 時，鎳鍍層的摩擦因數(shù)最小為0.333 7，此時鍍層磨損量也最小，僅為8 V 時的42%，說明在12 V 下所得鎳鍍層具有最優(yōu)良的減摩性能。這主要是因為鎳鍍層本身就具有很高的硬度和很好的強(qiáng)韌性，不易產(chǎn)生裂紋，耐磨損能力較強(qiáng)。刷鍍電壓為12 V 時，鍍層硬度及鍍層與基體之間的結(jié)合強(qiáng)度最高，且組織均勻、結(jié)晶細(xì)致，故耐磨性最好。另外，在不同刷鍍電壓下所得鎳鍍層的摩擦因數(shù)和磨損量均小于Q235 鋼基體(同等條件下，基體的摩擦因數(shù)為0.762 3，磨損量為6.7 mg)，這就說明鎳鍍層可大大提高基體的耐磨性能。

圖3 刷鍍電壓對鎳鍍層耐磨性的影響Figure 3 Effect of brush plating voltage on wear resistance of nickel coating

2.4 極化曲線

圖4為基體和不同刷鍍電壓下所得鎳鍍層在3.5% NaCl 溶液中的極化曲線。對于電化學(xué)腐蝕，腐蝕電位可以說明合金的腐蝕傾向，而腐蝕電流可用以表示其腐蝕速率。將圖4各曲線擬合得到對應(yīng)的腐蝕參數(shù)，結(jié)果見表3。從表3可知，各刷鍍電壓下所得鎳鍍層的自腐蝕電位均正于基體(-0.614 5 V)，且腐蝕電流密度均小于基體(1.197 × 10-5A/cm2)，可以判定鎳鍍層的耐蝕性能要明顯好于基體。

圖4 基體和不同刷鍍電壓下所得鎳鍍層的極化曲線Figure 4 Polarization curves for substrate and nickel coatings prepared at different brush plating voltages

表3 圖4曲線擬合所得的腐蝕參數(shù)Table 3 Corrosion parameters fitted from the curves of Figure 4

從表3亦可看出，刷鍍電壓為12 V 時，鍍層的腐蝕電位最正，腐蝕傾向最??；對于腐蝕電流密度，刷鍍電壓為8 V 時最小，次之為刷鍍電壓12 V 下所得鍍層，刷鍍電壓14 V 下所得鍍層的腐蝕電流密度最高。綜合判斷，在12 V 刷鍍電壓下制得的鎳鍍層耐腐蝕性能較好，不同刷鍍電壓下制備的鎳鍍層耐蝕性能均明顯優(yōu)于基體。

3 結(jié)論

(1) 刷鍍電壓為12 V 時，鎳鍍層表面均勻、致密，鍍層與基體之間為冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度最高。

(2) 刷鍍電壓為12 V 時，鎳鍍層的耐磨性能最優(yōu)，主要原因可能是12 V 時鎳鍍層的硬度較高及其細(xì)晶強(qiáng)化作用。

(3) 刷鍍電壓為12 V 時，鎳鍍層的腐蝕電位和腐蝕電流密度分別為-0.08 6 V、3.230 × 10-6A/cm2，耐蝕性能最好。

(4) 在不同刷鍍電壓下所得鎳鍍層的綜合性能均優(yōu)于基體，最佳刷鍍電壓為12 V。

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