相對運動速度對電刷鍍鎳鍍層組織結(jié)構和性能的影響

胡振峰，呂 鏢，2，汪笑鶴，徐濱士

（1裝甲兵工程學院 裝備再制造技術國防科技重點實驗室，北京100072；2東北大學 材料與冶金學院，沈陽110819）

再制造工程是廢舊機電產(chǎn)品高技術維修的產(chǎn)業(yè)化，具有顯著降低成本、節(jié)能、節(jié)材、環(huán)保以及高質(zhì)量或高性能等重要特征［1－4］。不同于國外換件修理法和尺寸修理法的再制造模式，國內(nèi)的再制造以先進的表面工程技術進行支撐，不僅準確恢復尺寸，而且顯著提升性能。因此，對再制造技術的篩選和工藝控制等方面提出了更高、更嚴格的要求［5－8］。

內(nèi)孔類零件（如發(fā)動機的缸體、連桿、缸套等）是發(fā)動機上最重要的零件類型之一，它與外圓類零件（如軸、軸承、密封環(huán)等）共同組成運動副，實現(xiàn)零件的相對運動和動力傳遞。內(nèi)孔類零件的失效以磨損和變形導致不能滿足尺寸要求為主，因此，對該類零件的修復主要是恢復其配合尺寸和提升其表面性能［9］。利用先進的表面工程技術制備高性能的鍍層（涂層）材料恢復失效零部件尺寸的方法越來越受到重視。目前，常用的內(nèi)孔類零部件的修復技術主要有電鍍（包括電刷鍍）、噴涂和堆焊（激光熔覆）等技術形式［10－13］。

激光修復內(nèi)孔類零部件的熔覆層具有結(jié)合強度高、性能好等優(yōu)點，但它可能導致基體熱變形且設備較為復雜、運行成本太高，這些因素決定它只能在有特殊性能要求的場合才能使用；噴涂層雖然具有成本低、效率高等優(yōu)點，但是涂層的結(jié)合強度低和不適宜?。ㄉ睿┛讖搅慵男迯鸵蚕拗屏怂氖褂?；電鍍層既能保證足夠的結(jié)合強度和適當?shù)男?，又能保證較低的修復成本，因此最適合作為內(nèi)孔類零部件的修復。但是從目前的研究來看，電鍍工藝過于復雜（多步工序、多種溶液），特別是前處理工序和電鍍工序之間的銜接問題還不能很好地解決，無法保證鍍層的質(zhì)量。而近期的研究表明，先進的電刷鍍技術可以解決前處理和施鍍之間的銜接問題，并且有希望實現(xiàn)內(nèi)孔類零部件再制造產(chǎn)業(yè)化［9，10］。

相對運動速度是電刷鍍技術的重要參數(shù)之一，對鍍層的組織結(jié)構和性能具有重要影響。本工作通過研究相對運動速度對電刷鍍鎳鍍層質(zhì)量的影響，以期深入認識新型電刷鍍鎳鍍層組織結(jié)構變化和性能提升的原因。

1 實驗

1.1 實驗裝置及原理

新型的內(nèi)孔電刷鍍技術是在傳統(tǒng)電鍍和電刷鍍基礎上發(fā)展起來的一種新的工藝方法。該裝置主要包括電刷鍍專用鍍筆、驅(qū)動裝置、專用電源和控制系統(tǒng)。不同于傳統(tǒng)電刷鍍棉花、滌棉包裹石墨陽極，電刷鍍專用鍍筆由安裝于耐腐蝕支架上的可溶性陽極和柔性介質(zhì)組成，通過電機驅(qū)動鍍筆運動，從而帶動支架上安裝朝外的柔性介質(zhì)在陰極（內(nèi)孔型工件）表面不間斷的摩擦和攪拌。陰極采用內(nèi)孔型金屬工件，通過專用的密封裝置組成一個頂部開口的容器；柔性介質(zhì)采用不導電、彈性好且耐酸堿的豬鬃制成，并保證其接觸距離大于內(nèi)孔類工件內(nèi)徑2～6mm。圖1為內(nèi)孔電刷鍍裝置的局部示意圖。

通過電刷鍍專用鍍筆在陰極表面的摩擦和攪拌，可以最大限度地壓縮陰極表面的金屬離子匱乏層（擴散層），從而提高電沉積的極限電流密度和電沉積速度。在電沉積過程中，柔性介質(zhì)的摩擦作用可以有效阻止氫氣泡和吸附雜質(zhì)在陰極表面長期滯留，從而避免在鍍層表面形成凹坑、針孔、麻點等缺陷。此外，柔性介質(zhì)的摩擦還可以增加陰極表面活性生長點，提高形核速率，抑制鍍層的尖端放電，并對已經(jīng)形成的積瘤等微觀突起起到機械磨削和拋光作用，從而實現(xiàn)鍍層表面整平的效果，并使鍍層的組織結(jié)構和性能發(fā)生變化。

圖1 內(nèi)孔電刷鍍裝置局部示意圖Fig.1 Part schematic diagram of brush electroplating for bore experimental apparatus

1.2 實驗方法

陰極材料采用失效的發(fā)動機缸套，基體材質(zhì)為球墨鑄鐵，內(nèi)孔尺寸為φ100mm×210mm。電刷鍍的鍍液采用常規(guī)的 Watts Ni鍍液改進而成，其組成為：NiSO4·6 H2O 300g／L，NiCl2·6 H2O 40～80g／L，H3BO340g／L，未加任何添加劑?；竟に嚵鞒虨椋捍蚰ァ妰簟?號活化→3號活化→電沉積鎳鍍層。優(yōu)化的工藝參數(shù)選擇為：鍍液溫度50℃，電流密度12A·dm－2，相對運動速度分別選為 0.25，0.50，0.75，1.00m／s。作為對比實驗，使用常規(guī)的 Watts鎳配方制備了電鍍鎳鍍層。

鍍層的表面形貌采用Philips Quanta200型掃描電子顯微鏡（SEM）觀察；鍍層的組織結(jié)構采用D8Advance型X射線衍射儀和JEM－2100型透射電子顯微鏡測定；鍍層的顯微硬度采用HVS－1000數(shù)顯顯微硬度計測定，測試條件：載荷0.98N，加載時間15s。用CETR－UTM型顯微磨損試驗機研究摩擦磨損性能，用失重法確定鍍層的磨損量。與鍍層試件對磨的試樣為GCr15鋼球，直徑4mm，硬度HRC63，磨損實驗均在室溫下進行。微動實驗參數(shù)：載荷10N，振幅5mm，頻率5 Hz，時間20min。

2 結(jié)果與討論

2.1 相對運動速度對鍍層形貌的影響

圖2和圖3分別為采用傳統(tǒng)電鍍技術制備的鎳鍍層和新型的電刷鍍技術在不同相對速度條件下制備鎳鍍層的SEM表面形貌。可以看出，電刷鍍技術制備鎳鍍層的表面形貌明顯不同于傳統(tǒng)電鍍鎳。傳統(tǒng)電鍍鎳鍍層表面凸凹不平，由明顯的球狀微凸體組成，且微凸體尺寸大小不一；而電刷鍍技術得到的鍍層表面卻有深淺不一的柔性介質(zhì)摩擦留下的刷痕，晶粒尺寸大小難以分辨，表面相對平整致密，沒有針孔、麻點等鍍層缺陷。這表明柔性介質(zhì)的刷鍍行為能夠起到驅(qū)趕陰極表面吸附雜質(zhì)、解析氫氣泡、細化鍍層晶粒尺寸和整平鍍層等作用。理論分析認為，在電沉積過程中，柔性介質(zhì)摩擦通過部分屏蔽或覆蓋陰極表面而提高陰極過電位和晶體形核率，同時抑制晶體的快速生長，因而可以細化鍍層組織，并通過電化學整平和物理整平作用達到鍍層表面光亮平整的目的［14］。隨著相對運動速度的提高，這種摩擦抑制晶體生長的作用越來越大，因而在相對速度為1.00m／s時，鍍層的表面更加平整光滑。

圖2 傳統(tǒng)電鍍鎳鍍層的SEM表面形貌Fig.2 SEM surface morphology of traditional Ni electroplating

圖3 電刷鍍鎳鍍層的SEM 表面形貌 （a）0.25m／s；（b）0.50m／s；（c）0.75m／s；（d）1.00m／sFig.3 SEM surface morphologies of brush electroplated Ni（a）0.25m／s；（b）0.50m／s；（c）0.75m／s；（d）1.00m／s

2.2 相對運動速度對鍍層結(jié)構的影響

圖4是采用不同電沉積技術制備鍍鎳層的XRD譜。與標準粉末衍射卡片對比可知，電沉積鎳鍍層均為面心立方結(jié)構。從圖4可以看出，電刷鍍技術制備的鍍層的衍射強度明顯不同于傳統(tǒng)電鍍鎳鍍層，傳統(tǒng)電鍍鎳鍍層（200）面明顯強于（111）面，而電刷鍍鎳鍍層恰恰相反，（111）面明顯強于（200）面。這說明電刷鍍行為會在一定程度上影響晶體的生長方式，使（111）面的生長速度變慢，而（200）面的生長速度變快，從而使（111）面的擇優(yōu)程度增大，（200）面的擇優(yōu)程度降低。對比不同相對速度下的鍍層衍射強度，鍍層（111）面的衍射強度隨著相對運動速度的增大而增加，并且衍射峰變得相對寬化，這說明隨著相對運動速度的提高，電刷鍍鎳鍍層的晶粒更加細化，（111）面擇優(yōu)取向增加。

圖5為不同相對運動速度下電刷鍍鎳鍍層的TEM像及其選區(qū)電子衍射花樣。從衍射環(huán)可以作出判斷，鍍層是鎳的多晶體，并呈面心立方結(jié)構。當相對運動速度為0.25m／s時，從圖5（a）中可以看到鎳鍍層由很多形狀不規(guī)則的晶粒組成，晶粒尺寸都在200nm以下，而每個晶粒又由許多的亞晶粒組成，如圖5（a）中的很多黑色顆粒，這是鍍層中某個（或幾個）取向的亞晶粒的圖像，由于襯度的差別在照片上呈現(xiàn)黑色，這些晶粒的尺寸處于10～50nm之間；當相對運動速度達到1.00m／s時，從圖5（b）中可以看到鍍層中的晶粒更加細小均勻，晶粒尺寸大都在30nm左右，此外，更加連續(xù)的衍射環(huán)也表明各個晶面晶體生長差異的減小和晶粒的細化，這與XRD的分析結(jié)果相一致。然而，傳統(tǒng)Watts Ni鍍層組織為粗大的柱狀晶，其晶粒尺寸在0.5μm以上（甚至數(shù)個微米）［15］，這表明采用新型內(nèi)孔電刷鍍技術有利于得到晶粒細小的納米晶組織。

圖4 不同方法制備鎳鍍層的XRD譜 （a）電鍍鎳；（b）電刷鍍鎳Fig.4 XRD patterns of electroplated Ni with different methods （a）electroplated Ni；（b）brush electroplated Ni

圖5 不同相對運動速度下電刷鍍鎳鍍層的TEM像及其選區(qū)電子衍射花樣 （a）0.25m／s；（b）1.00m／sFig.5 TEM images and selected area electron diffraction patterns of brush electroplated Ni at different relative moving speed （a）0.25m／s；（b）1.00m／s

2.3 相對運動速度對鍍層硬度的影響

圖6是采用電刷鍍技術在不同相對速度條件下制備的鍍層的維氏硬度?？梢钥闯?，鍍層的維氏硬度普遍在HV400以上，明顯高于傳統(tǒng)電鍍鎳鍍層的硬度HV210左右。這是由于新型內(nèi)孔電刷鍍技術制備的鎳鍍層晶粒細小，因此鍍層的硬度明顯高于傳統(tǒng)電鍍的硬度。對比不同相對速度制備的鍍層硬度，可以看出相對運動速度在0.25m／s時，硬度為HV420；而相對運動速度在0.50～1.00m／s時，鍍層的硬度在HV550～600之間。隨著相對運動速度的提高，柔性介質(zhì)摩擦抑制晶體的生長作用加強，鍍層晶粒逐漸細化。根據(jù)Hall－Petch關系，鍍層的硬度和晶粒尺寸呈負相關關系，即鍍層的硬度隨著晶粒的減小而增大。當相對速度為0.25m／s，鍍層的晶粒尺寸較大，硬度較低；隨著相對運動速度的提高，柔性介質(zhì)的摩擦抑制作用趨于平緩，鍍層的晶粒尺寸變化較小，因而鍍層的硬度增加趨于穩(wěn)定。

圖6 相對運動速度對電刷鍍鎳鍍層硬度的影響Fig.6 Effect of relative moving speed on microhardness of brush electroplated Ni

2.4 相對運動速度對鍍層耐磨性的影響

圖7為不同相對運動速度下電刷鍍鎳鍍層的磨損失重圖。由圖7可見，隨著相對運動速度的提高，鎳鍍層磨損失重大體呈減小趨勢。當相對速度為0.25m／s時，鍍層磨損失重最大，為8.7mg，但相對運動速度為0.75m／s時獲得的鍍層磨損失重卻比0.50m／s時獲得的鍍層磨損失重略大，從圖3（b）和圖3（c）可以看出，這是由于鍍層的表面粗糙度稍有增加的緣故，導致了鍍層與對偶件摩擦面積的增大和磨損失重的增多；而隨著相對運動速度提高到1.00m／s時，鍍層的磨損失重降低至6mg，這是由于鍍層組織變得更加致密和表面粗糙度變得更低，同時鍍層的晶粒細化和顯微硬度較高，因而明顯提高了鍍層的耐磨性能。

圖7 相對運動速度對電刷鍍鎳鍍層耐磨性的影響Fig.7 Effect of relative moving speed on wear resistance of brush electroplated Ni

3 結(jié)論

（1）與傳統(tǒng)電鍍技術相比，新型內(nèi)孔電刷鍍技術得到的鎳鍍層質(zhì)量明顯改善、表面平整光滑、晶粒細小、組織致密，但鍍層均為面心立方結(jié)構。

（2）新型電刷鍍技術制備的鎳鍍層由很多形狀不規(guī)則的晶粒組成，其晶粒尺寸取決于相對運動速度。當相對運動速度為1.00m／s時，可以獲得平均晶粒尺寸在30nm左右的納米晶鎳鍍層。

（3）隨著相對運動速度的提高，電刷鍍鎳鍍層（200）面的擇優(yōu)取向逐漸降低，而（111）面擇優(yōu)取向逐漸增大。當相對運動速度為0.25m／s時，鍍層的硬度為HV420，磨損失重為8.7mg；當相對運動速度為0.50～1.00m／s時，鍍層的硬度在 HV550～600之間，而磨損失重降至6mg。

［1］ 徐濱士，朱紹華.表面工程的理論與技術［M］.2版.北京：國防工業(yè)出版社，2010.

［2］ 徐濱士.裝備再制造工程的理論與技術［M］.北京：國防工業(yè)出版社，2007.

［3］ XU Bin－shi.Nano surface engineering and remanufacture［J］.Transactions of Nonferrous Metals Society of China，2004，14（Suppl 2）：1－6.

［4］ WANG Xiao－h(huán)e，LV Biao，HU Zhen－feng，et al.Corrosion resistance in sodium chloride solution of Ni－Co－P electro－brush amorphous coatings to replace hard chromium coatings［J］.Physics Procedia，2013，50：191－198.

［5］ XU Bin－shi，WANG Hai－dou，DONG Shi－yun，et al.Electrodeposition nickel silica nano－composites coating［J］.Electrochemistry Communication，2005，7（6）：572－575.

［6］ 徐濱士.再制造工程與自動化表面工程技術［J］.金屬熱處理，2008，33（1）：9－14.

XU Bin－shi.Remanufacturing engineering and automatic surface engineering technology［J］.Heat Treatment of Metals，2008，33（1）：9－14.

［7］ XU Bin－shi.Development of surface engineering in China［J］.Surface Engineering，2010，26（1－2）：129－132.

［8］ 張斌，徐濱士，董世運，等.自動化n－SiC／Ni復合電刷鍍層的高溫摩擦性能研究［J］.材料工程，2008，（1）：54－57.

ZHANG Bin，XU Bin－shi，DONG Shi－yun，et al.Tribological properties at elevated temperature of auto brush electroplating n－SiC／Ni composite coatings［J］.Journal of Materials Engineering，2008，（1）：54－57.

［9］ 胡振峰.內(nèi)孔電刷鍍納米晶鎳鍍層制備技術及其在再制造產(chǎn)業(yè)中的應用［D］.北京：裝甲兵工程學院，2010.

［10］ 胡振峰，汪笑鶴，呂鏢，等.自動化電刷鍍技術在發(fā)動機缸體再制造中的應用［J］.中國表面工程，2012，25（4）：27－30.

HU Zhen－feng，WANG Xiao－h(huán)e，LV Biao，et al.Automatic brush electroplating technology applied to remanufacturing cylinder body of engine［J］.China Surface Engineering，2012，25（4）：27－30.

［11］ SOPOK S，RICKARD C，DUNN S.Thermal－chemical－mechanical gun bore erosion of an advanced artillery system part one：theories and mechanisms［J］.Wear，2005，258（1－4）：659－670.

［12］ BOBZIN K，ERNST F，RICHARDT K，et al.Thermal spraying of cylinder bores with the plasma transferred wire arc process［J］.Surface ＆ Coatings Technology，2008，202（18）：4438－4443.

［13］ KATSUKI A，ONIKURA H，SAJIMA T，et al.Development of a practical high－performance laser－guided deep－h(huán)ole boring tool：improvement in guiding strategy［J］.Precision Engineering，2011，35（2）：221－227.

［14］ 呂鏢，胡振峰，汪笑鶴，等.電流密度對柔性摩擦輔助電沉積鎳鍍層質(zhì)量的影響［J］.中國有色金屬學報，2014，24（1）：137－144.

LV Biao，HU Zhen－feng，WANG Xiao－h(huán)e，et al.Effect of current density on quality of electrodeposited Ni coatings by flexible friction［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2014，24（1）：137－144.

［15］ WATANABE T.Nano－plating［M］.Amsterdam：Elsevier Ltd，2004.