激光預(yù)處理基體細化鉻層晶粒的電鍍機理研究

張國祥

(江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程系，揚州225101)

引 言

激光淬火預(yù)處理鋼基體后再電鍍鉻層的復(fù)合工藝可以提高鉻層界面結(jié)合強度［1-2］和改變鉻層表面形貌［3］，并被用于某種鍍鉻身管武器，其身管壽命得到了大幅度的提高［4］。提高界面結(jié)合強度的機理是:激光淬火預(yù)處理鋼基體細化了鉻層界面的晶粒［1-2］。鉻層界面晶粒細化的材料學(xué)機理［1-2］是:由于激光淬火預(yù)處理的基體表面形成了晶粒細化的馬氏體，馬氏體的細化晶粒遺傳給了鉻層界面。盡管上述解釋是合理的，但缺乏電鍍機理影響的分析。由于鉻層是通過電鍍工藝制備的，為此，電鍍機理是揭示晶粒得以細化不可或缺的要素。從電鍍機理角度揭示激光預(yù)處理鋼基體細化鉻層界面晶粒，既是全面理解激光淬火預(yù)處理鋼基體可以細化鉻層界面晶粒的理論需要，也是進一步探究激光淬火預(yù)處理基體后再電鍍鉻的復(fù)合工藝提高鉻層界面結(jié)合強度和鍍鉻身管延壽的現(xiàn)實需要。為此，作者借助電鍍理論，以期揭示激光淬火預(yù)處理基體細化鉻層界面晶粒的電鍍機理。

1 實驗現(xiàn)象

1.1 試樣制備

基體材料是某種型號高射機槍身管的30CrNi2MoV高強度鋼。為了保證激光淬火預(yù)處理基體和未處理基體的電鍍條件一致，采用離散預(yù)處理辦法。采用專用加工設(shè)備對基體內(nèi)表面進行螺旋式淬火預(yù)處理，采用YAG固體激光器，其激光工藝參量分別為:功率密度104W/cm2～106W/cm2、光斑直徑 0.8mm、身管轉(zhuǎn)速 3r/min、軸向進給速率0.5mm/min。對激光離散預(yù)處理的身管再進行鍍鉻。沿著陽線方向，用線切割機，取與激光掃描線相垂直的軸向試樣，進行磨、拋光，用體積分數(shù)為0.05的硝酸酒精腐蝕得到了如圖1所示的鍍鉻層/基體結(jié)構(gòu)掃描電鏡軸截面圖。圖1中的橢圓和兩個橢圓之間區(qū)域分別為激光處理區(qū)和未處理區(qū)。

Fig.1 Axial section of Cr-plated structure for substrate interface dispersedly pre-treated by laser

1.2 界面形貌對應(yīng)關(guān)系

鉻層與基體之間界面是由靠近基體一側(cè)鉻層表面和靠近鉻層的基體表面構(gòu)成的，為了研究方便，將前者稱為鉻層界面，后者稱為基體界面。

為了揭示鉻層界面形貌與基體界面的對應(yīng)關(guān)系，采用化學(xué)腐蝕法對圖1所示的試樣進行腐蝕處理，并用S-750高分辨掃描電鏡觀察:一是利用體積分數(shù)為0.3的硝酸酒精腐蝕掉基體，研究鉻層界面形貌，得到圖1a;二是用體積分數(shù)0.3的氫氧化鈉溶液陽極電解去除鉻層后，觀察基體界面形貌，得到圖1b。

1.2.1 界面宏觀對應(yīng)關(guān)系 由于采用了激光螺旋式離散淬火處理，則形成了圖2b所示的基體界面周期性條帶狀形貌，而鉻層界面也形成了圖2a所示的離散條帶狀形貌。由此說明基體形貌一一對應(yīng)地傳遞給了鉻層界面上。

1.2.2 界面微觀對應(yīng)關(guān)系 為了進一步研究鉻層界面與基體界面對應(yīng)關(guān)系，分別對二者進行放大，得到圖3a所示的鉻層界面組織形貌和圖3b所示的基體界面幾何形貌。圖3a表明:未處理基體上的鉻層界面晶粒明顯大于激光處理區(qū)的。前者晶粒尺寸為30nm ～50nm，而后者的是 8nm ～12nm［5］。未處理基體界面存在大量、尺寸較大的微坑，而激光處理的則很小。形成這種現(xiàn)象的原因是在鍍鉻前酸洗等前處理過程中，由于激光淬火所產(chǎn)生的馬氏體具有很強的耐腐蝕能力，為此沒有較大的微坑。

Fig.2 Macro-relationship between interfaces

Fig.3 Micro-relationship between interfaces

1.3 基體界面粗糙度比較

為了進一步分析激光預(yù)處理與未處理基體界面的幾何形貌，利用無接觸式的激光粗糙度儀對上述基體界面進行粗糙度測量，其粗糙度值也就是微坑深度。從激光處理區(qū)向未處理區(qū)進行動態(tài)、連續(xù)掃描測量，得到圖4。圖4表明，激光處理區(qū)的粗糙度明顯小于未處理區(qū)的。

由此可見，鉻層界面的晶粒尺寸與基體界面粗糙度有關(guān)。小的晶粒尺寸對應(yīng)著小的粗糙度，反之亦然。

2 電鍍機理研究

電鍍過程是電結(jié)晶過程，與別的結(jié)晶過程不同的是，電場的影響起著重要作用。過電位是決定結(jié)晶形態(tài)的第1位的［6］，為此本研究用過電位來表征電場對晶粒尺寸的影響。

2.1 晶粒尺寸與過電位關(guān)系

由于鉻層是沿著界面垂直方向形成柱狀晶［2］，為此用柱狀晶的直徑來表示晶粒尺寸。晶核臨界尺寸為:

式中，r為晶核臨界尺寸，h為2維圓柱晶核的高，σ1為晶核與電解液之間的界面張力，σ2為晶核與電極之間的界面張力，σ3為電極與電解液之間的界面張力，ρ為晶核密度，M為相對原子質(zhì)量，n為電化學(xué)反應(yīng)的電子數(shù)，η為過電位，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。

(1)式表明:過電位η越大，晶核臨界尺寸r越小。

成核速率與電場過電位關(guān)系由下式給出:

式中，k=R/N為玻爾茲曼常數(shù)，R為氣體常數(shù)，N為阿伏加德羅常數(shù)，T是溫度，W是成核速率。

(2)式表明:過電位η越大，成核速率W也越大。

結(jié)合(1)式、(2)式可知:在實際電鍍中，提高過電位，可以獲得致密的鍍層，進而在有限的空間內(nèi)，可以獲得尺寸較小的晶粒。因此，晶粒細化的原因是由于過電位的提高。

2.2 過電位比較分析

根據(jù)上述分析可知:晶粒尺寸與過電位有關(guān)，并且成減函數(shù)關(guān)系。因此，對于晶粒細化的電鍍機理分析也就演化成對激光預(yù)處理基體與未處理基體的過電位比較分析。

根據(jù)實驗結(jié)果:激光預(yù)處理基體界面的粗糙度明顯小于未處理基體的。因此，從幾何學(xué)角度，激光預(yù)處理與未處理基體界面幾何形貌比較又可轉(zhuǎn)化為兩者界面粗糙度比較。由此，構(gòu)建如圖5所示的基體界面幾何形貌統(tǒng)一模型。

Fig.5 Geometric morphologymodel of steel substrate interface

圖5 中，虛線表示陽極表面，水平方向的直線表示基體底部。h1和h2分別表示陽極表面到基體界面形貌的波峰和波谷距離，D表示表示微坑深度。這樣就可以把波谷視為遠陰極、波峰視為近陰極。在電鍍過程中，基體界面也就可以看成從遠陰極向近陰極連續(xù)過渡的幾何曲面。

波峰與波谷之間電位關(guān)系可用下式表示［6］:

式中，φf，φg分別為在波峰、波谷上雙電層的溶液一方的電位，I為離開基體界面無限遠處的均勻電流密度，K為無極化時的分散能力，K與D，h1之間關(guān)系可用下式表示，且為常數(shù)［7］:

由于激光預(yù)處理區(qū)和未處理區(qū)在一個基體試樣上，則鉻層制備的陰極電流、電鍍液成分、溫度等電鍍工藝參量是完全一樣的，二者差異是微坑深度D的不同。如圖5所示，波谷距離鉻層表面最遠、距離基體底部最近，為此，以波谷為尺寸基準，進行激光預(yù)處理和未處理的微坑深度比較。這樣就可以將(3)式改寫成:

式中，φx是基體幾何曲面上距離波谷x處的電位。

為了比較分析，由圖5所示，h1，h2及D之間的關(guān)系是:

將(4)式、(6)式帶入(5)式后整理得:

(7)式表明:由于激光預(yù)處理和未處理的基體界面的電鍍工藝參量一樣，則I和φg也是相同的，則若在x相同的情況下，則隨著微坑深度D的增加，x處的電位φx則隨之減小。

過電位η是指陰極電位偏離平均電位的偏離值［6］。設(shè)電鍍液中平均電位為φ0，則根據(jù)過電位定義和(7)式，x處的過電位可表示為:

由于鉻層制備的電鍍工藝參量是完全一樣的，則φg和φ0也是一樣的。則(8)式表明:基體界面距離波谷x處的過電位ηx隨著D的增加而減小，反之亦然，即ηx與D成減函數(shù)關(guān)系。

由于激光預(yù)處理的微坑深度D遠小于未處理的ηx，根據(jù)ηx與D的減函數(shù)關(guān)系，則激光預(yù)處理的ηx相反要大于未處理的。再根據(jù)(1)式、(2)式所表示的晶粒尺寸與過電位的減函數(shù)關(guān)系，則有激光預(yù)處理基體上的鉻層界面晶粒要小于未處理的。

圖1的橢圓形激光處理區(qū)表明，在激光光斑內(nèi)的溫度呈正態(tài)形狀分布，中心處溫度最高，邊緣溫度最低，通過對鉻層界面晶粒分布上看:晶粒細化程度也是從邊緣向中心部位呈梯度逐漸增加的［8］，這說明了隨著激光對基體的淬火程度的增加，鉻層界面晶粒細化程度也增加。激光淬火預(yù)處理基體對鉻層界面結(jié)合強度影響機制分析也說明，隨著激光對基體淬火硬化程度降低，界面結(jié)合強度也隨之降低［9］，這也進一步證明了激光對基體的淬火程度與鉻層界面晶粒細化成正比關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)激光淬火預(yù)處理基體得到晶粒細化的馬氏體。

(2)在電鍍鉻層之前的化學(xué)預(yù)處理過程中，由于馬氏體的耐腐性，導(dǎo)致基體界面的粗糙度明顯小于未處理基體的。

(3)粗糙度的變小使得過電位過大，則細化了鉻層界面的晶粒。

(4)鉻層界面晶粒細化程度隨著激光對基體淬火硬化程度增加而增加。

［1］ZHANG G X，YAO DW.Effect of laser-quenching substrate on interfacial shear strength of chromium plated coatings［J］.Laser Technology，2012，36(4):527-531(in chinese).

［2］XU X Y，ZHANG K，CHENGN，etal.Influence of laser hardening substrate onmicrostructure and bonding of electroplating chromium coating［J］.Chinese Journal of Lasers，2006，33(3):413-416(in Chinese).

［3］ZHANG G X.Effect of a laser quenched substrate on the surface morphology of Cr-plating coatings［J］.Laser Technology，2011，35(6):752-755(in Chinese).

［4］CHEN G N，LUO G X，ZHANG K，et al.A new method for improving service life of chrome-plated gun barrelsby laser strengthening［J］.Acta Armamentaria，2003，24(s1):6-10(in Chinese).

［5］LIH X，CHENGN，ZHANGG X，etal.Study of the initial electroplated chromium layer by substrate dissolving-away［J］.Transactions of Materials and Heat Treatment，2006，27(2):94-97(in Chinese).

［6］HUANG Z X，WU Ch S.The plating theory［M］.Beijing:Chinese Agricultural Machinery Press，1982:19，25，163(in Chinese).

［7］FENG Y，ZHANG L S.Plating theory and tchnics［M］.Beijing:Chemical Industry Press，2008:10，31(in Chinese).

［8］LIH X，CHEN G N，GONG Sh L.Functionally graded interface effects of chromium electrodeposits with a laser-discretely treated steel substrate［J］.Chinese Journal of Lasers，2011，38(3):1-5(in Chinese).

［9］ZHANG G X，YAO D W.Evaluation of interfacial bonding strength of electroplate chromium coating to substrate by ion etchingmethod［J］.Journal of Materials Protection，2012，45(6):63-65(in Chinese).