Fe-B4C復(fù)合鍍層性能優(yōu)化的研究

習(xí)小慧， 王金亮， 張 禹

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.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）

Fe-B4C復(fù)合鍍層性能優(yōu)化的研究

習(xí)小慧1， 王金亮1， 張 禹2

（1.東北大學(xué) 材料與冶金學(xué)院，遼寧 沈陽(yáng) 110819；2.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(guò)電化學(xué)沉積工藝，利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取B4C微粒的直徑、B4C的質(zhì)量濃度及FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度為3個(gè)因素，以鍍層的顯微硬度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究了鐵基復(fù)合鍍層的組織性能，并確定了獲得復(fù)合鍍層的最佳工藝參數(shù)。結(jié)果表明：各因素作用的主次順序?yàn)锽4C的質(zhì)量濃度＞B4C微粒的直徑＞FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度；在B4C微粒的直徑10μm，B4C 30g/L，F(xiàn)eCl2·4H2O 350g/L的條件下，獲得的鍍層具有較高的顯微硬度。

鍍鐵；復(fù)合鍍層；B4C微粒；顯微硬度；正交實(shí)驗(yàn)

0 前言

低溫鍍鐵具有鍍速快、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)［1－2］，在機(jī)械零部件的修復(fù)方面有著廣泛的應(yīng)用［3］。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，單一金屬鍍層已不能滿足日益增長(zhǎng)的工業(yè)生產(chǎn)需求，為此，復(fù)合鍍層逐漸成為人們研究的熱點(diǎn)。田華等［4］將硬質(zhì)微粒SiC加入鍍鐵液中，最終得到高硬度、高耐磨性的Fe-SiC復(fù)合鍍層，改善了鍍鐵工藝。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)［5］，是比較理想的增強(qiáng)材料。本實(shí)驗(yàn)研究了硬質(zhì)微粒B4C對(duì)復(fù)合鍍鐵層組織性能的影響。

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(yáng)極單陰極電極，并輔以機(jī)械攪拌機(jī)。試樣為20mm×20mm×2 mm的低碳鋼板，其主要成分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為：C 0.12%，Mn 0.42%，Si 0.285%，S 0.015%，P 0.025%，F(xiàn)e余量。

1.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程及方法

1.2.1 工藝流程

鍍前處理（酸洗—→清洗—→吹干）—→對(duì)稱交流活化處理—→不對(duì)稱交流起鍍—→過(guò)渡鍍—→直流鍍—→鍍后處理—→鍍層形貌觀測(cè)與性能測(cè)試

1.2.2 正交實(shí)驗(yàn)

本實(shí)驗(yàn)采用氯化物低溫鍍鐵工藝，利用正交實(shí)驗(yàn)對(duì)工藝進(jìn)行優(yōu)化。選取B4C微粒的直徑、B4C的質(zhì)量濃度及FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度為3個(gè)因素，以鍍層的顯微硬度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，采用L9（33）進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)優(yōu)化。

1.3 性能測(cè)試

用71型顯微硬度計(jì)測(cè)量鍍層的顯微硬度，載荷為50g，加載時(shí)間設(shè)定在10s。用XJL-02A型金相顯微鏡觀察鍍層表面和橫截面的組織結(jié)構(gòu)，并測(cè)量鍍層的厚度及均勻性。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層的顯微硬度

正交實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：各因素作用的主次順序?yàn)锽4C的質(zhì)量濃度＞B4C微粒的直徑＞FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度。在B4C微粒的直徑10μm，B4C 30 g/L，F(xiàn)eCl2·4H2O 350g/L的條件下，獲得的鍍層具有較高的顯微硬度。

研究了B4C的質(zhì)量濃度、B4C微粒的直徑、FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層顯微硬度的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分別如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 B4C的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層顯微硬度的影響

圖2 B4C微粒的直徑對(duì)鍍層顯微硬度的影響

圖3 FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層顯微硬度的影響

由圖1可知：隨著B(niǎo)4C的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的顯微硬度逐漸增大；當(dāng)B4C的質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí)，鍍層的顯微硬度達(dá)到最大值。B4C微粒彌散分布在鍍層內(nèi)，鍍件在外力作用下發(fā)生彈塑性變形時(shí)，晶內(nèi)運(yùn)動(dòng)的位錯(cuò)與B4C微粒相遇，致使位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)受阻進(jìn)而提高了鍍層的顯微硬度。這種微粒強(qiáng)化作用與微粒間距成反比［6］。隨著B(niǎo)4C的質(zhì)量濃度的增加，鍍層中B4C的沉積量增大，微粒間距減小，鍍層強(qiáng)度提高，從而使鍍層的顯微硬度增大。

由圖2可知：隨著B(niǎo)4C微粒的直徑的增加，鍍層的顯微硬度減小。因?yàn)閺浬?qiáng)化程度與第二相的尺寸和分布有關(guān)，微粒尺寸越細(xì)小，分布越均勻，屈服強(qiáng)度就越高。當(dāng)B4C微粒的直徑為10μm時(shí)，鍍層微粒分布最均勻，微粒間距最小，因此，鍍層的顯微硬度最大。

由圖3可知：隨著FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的顯微硬度逐漸減??；當(dāng)FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度為350g/L時(shí)，鍍層的顯微硬度最大。電解液中Fe2＋的質(zhì)量濃度較低時(shí)，陰極極化作用較大，阻礙鍍層晶粒長(zhǎng)大，促使新晶粒產(chǎn)生，獲得的鍍層晶粒較小，起到了細(xì)晶強(qiáng)化作用［7－8］。

2.2 鍍層的金相組織

圖4為試樣2（B4C微粒的直徑30μm，B4C 20 g/L，F(xiàn)eCl2·4H2O 375g/L）、試樣5（B4C微粒的直徑20μm，B4C 20g/L，F(xiàn)eCl2·4H2O 400g/L）、試樣8（B4C微粒的直徑10μm，F(xiàn)eCl2·4H2O 350 g/L，B4C 20g/L）放大350倍時(shí)的金相組織。

圖4 不同試樣的金相組織

由圖4可知：在機(jī)械攪拌下，B4C微粒均勻地分布在鍍層中；且隨著B(niǎo)4C微粒的直徑的減小，B4C微粒的分布變得均勻、沉積量變大。在直流電鍍過(guò)程中，電流大小不變，基體單位時(shí)間內(nèi)獲得的鐵原子數(shù)相等，陰極板單位面積內(nèi)獲得的鐵原子數(shù)也相等。由于鍍鐵液中B4C微粒分布均勻，B4C微粒越小，被Fe2＋撞擊的概率越相近。因此，B4C微粒越小，其在鍍層中的分布越均勻、沉積量越大。

3 結(jié)論

本文利用正交實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)方法，選取B4C微粒的直徑、B4C的質(zhì)量濃度及FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度為3個(gè)因素，以鍍層的顯微硬度為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，研究了鐵基復(fù)合鍍層的組織性能，得出各變量對(duì)鍍層顯微硬度的影響規(guī)律，并確定了獲得復(fù)合鍍層的最佳工藝參數(shù)。

（1）隨著B(niǎo)4C的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的顯微硬度逐漸增大；隨著FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的顯微硬度逐漸減小；隨著B(niǎo)4C微粒的直徑的增加，鍍層的顯微硬度逐漸減小。

（2）各因素作用的主次順序?yàn)椋築4C的質(zhì)量濃度＞B4C微粒的直徑＞FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度。

（3）獲得復(fù)合鍍層的最佳工藝參數(shù)為：B4C微粒的直徑 10μm，B4C 30g/L，F(xiàn)eCl2·4H2O 350 g/L。

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［8］康煌平，陳立佳，趙忠儉.無(wú)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）：47-51.

A Research on Performance Optimization of Fe-B4C Composite Coatings

XⅠ Xiao-hui1， WANG Jin-liang1， ZHANG Yu2
（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.College of Materials Science and Engineering，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China）

Through electrochemical deposition process，by using orthogonal experimental design method，selecting B4C particle size，B4C mass concentration and FeCl2·4H2O mass concentration as three factors and taking coating micro-hardness as evaluation standard，the microstructure and properties of iron-based composite coatings were studied，and the optimal process parameters for the composite coatings were also obtained.The results show that the order of the factors affecting micro-hardness is：B4C mass concentration＞B4C particle size＞FeCl2·4H2O mass concentration，and when the diameter of B4C particles is 10μm，the mass concentration of B4C 30g/L and the mass concentration of FeCl2·4H2O 350g/L，the obtained coating has higher micro-hardness.

iron plating；composite coating；B4C particle；micro-hardness；orthogonal experiment

TQ 153

A

1000-4742（2013）02-0031-03

2012-02-28