電鍍Fe-B4C復(fù)合鍍層工藝的研究

王金亮， 習(xí)小慧， 秦真波， 張 禹

（1.中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)大連加氫反應(yīng)器制造有限公司，遼寧 大連 116113；2.東北特殊鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116105；3.上海交通大學(xué)，上海 200240；4.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 材料學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

電鍍Fe-B4C復(fù)合鍍層工藝的研究

王金亮1， 習(xí)小慧2， 秦真波3， 張 禹4

（1.中國(guó)第一重型機(jī)械集團(tuán)大連加氫反應(yīng)器制造有限公司，遼寧 大連 116113；2.東北特殊鋼集團(tuán)有限責(zé)任公司，遼寧 大連 116105；3.上海交通大學(xué)，上海 200240；4.遼寧工程技術(shù)大學(xué) 材料學(xué)院，遼寧 阜新 123000）

利用低溫鍍鐵工藝，以B4C的粒徑、B4C的質(zhì)量濃度及FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度為3個(gè)因素進(jìn)行正交試驗(yàn)。闡述了各因素對(duì)鍍層性能的影響規(guī)律，并針對(duì)所遇到的問(wèn)題提出了解決方案。結(jié)果表明：影響鍍層耐磨性的因素順序?yàn)锽4C的質(zhì)量濃度＞B4C的粒徑＞FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度；影響鍍層厚度的因素順序?yàn)镕eCl2·4H2O的質(zhì)量濃度＞B4C的粒徑＞B4C的質(zhì)量濃度；影響鍍層顯微硬度的因素順序?yàn)锽4C的質(zhì)量濃度＞B4C的粒徑＞FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度；調(diào)整pH值能夠獲得規(guī)整的鍍層外觀；鍍液中無(wú)微粒電鍍20min后，再進(jìn)行有微粒電鍍，可顯著提高鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

復(fù)合鍍鐵；B4C微粒；顯微硬度；耐磨性；鍍層厚度

0 前言

低溫鍍鐵是指用不對(duì)稱交流－直流電在較低溫度（4℃即可開(kāi)始鍍）下進(jìn)行的鍍鐵工藝［1］。它以鍍速快、鍍層硬度高、電鍍成本低、鍍鐵產(chǎn)生的廢液對(duì)環(huán)境的污染較小等優(yōu)點(diǎn)［2－4］，成為修復(fù)磨損件與加工超差件的重要手段。生產(chǎn)實(shí)踐表明：低溫鍍鐵能顯著提高生產(chǎn)率，降低成本，節(jié)約原材料，具有一定的經(jīng)濟(jì)價(jià)值［5］。

隨著我國(guó)工業(yè)水平的不斷提高，對(duì)低溫鍍鐵技術(shù)也提出了更高的要求。復(fù)合鍍鐵作為鍍鐵技術(shù)的一個(gè)新方向逐漸受到人們的關(guān)注。許喬瑜等［6］研究了納米ZrO2微粒對(duì)復(fù)合鍍鐵層硬度及耐磨性的影響規(guī)律，提高了鍍層性能，改善了鍍鐵工藝。本文通過(guò)正交試驗(yàn)對(duì)電鍍Fe-B4C復(fù)合鍍層的工藝進(jìn)行了研究。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 實(shí)驗(yàn)儀器、材料及條件

本實(shí)驗(yàn)采用的儀器包括不對(duì)稱交－直流鍍鐵電源、自制攪拌器、HH-4型數(shù)顯恒溫水浴鍋。實(shí)驗(yàn)材料為低碳鋼板，試樣規(guī)格為20mm×20mm×2mm。實(shí)驗(yàn)溫度為45℃，鍍液成分根據(jù)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)而定，溶液的pH值為1.0，施鍍時(shí)間為2h。

1.2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用氯化物低溫鍍鐵工藝。以B4C的質(zhì)量濃度、B4C的粒徑及FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度為3個(gè)因素，選用L9（34）正交表進(jìn)行正交試驗(yàn)，因素水平如表1所示。

表1 正交試驗(yàn)因素表

1.3 工藝流程

（1）鍍前準(zhǔn)備

先將試樣用砂紙打磨去除表面的氧化皮，但表面要打磨均勻，避免出現(xiàn)深劃痕。將打磨好的試樣放在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的鹽酸溶液中5min進(jìn)行除油，取出后用清水洗凈，然后用吹風(fēng)機(jī)吹干。根據(jù)正交設(shè)計(jì)配制鍍液。打開(kāi)水浴鍋，設(shè)定溫度為35℃。

（2）對(duì)稱交流活化處理

將試樣安裝好，確保陰極和陽(yáng)極的試樣正對(duì)。調(diào)節(jié)電流，使通過(guò)試樣的電流密度為7A/dm2（交流活化電流＝活化電流密度×鍍件實(shí)際待鍍面積），活化時(shí)間設(shè)定為5min。

（3）不對(duì)稱交流起鍍

起鍍的正半波電流密度與負(fù)半波電流密度應(yīng)滿足下列兩個(gè)條件［7］：（1）1.0＜β≤1.3；（2）1.9＜J有效≤2.1。其中：β＝J正/J負(fù)；J有效＝J正－J負(fù)。

（4）過(guò)渡鍍

先將正半波電流在4～5min內(nèi)緩慢升至I正＝I直，再將負(fù)半波電流在同樣的時(shí)間內(nèi)緩慢降至I負(fù)＝I直/8（此時(shí)β從1.3變到8），然后停留2～3 min。最后將負(fù)半波電阻調(diào)為無(wú)窮大。

（5）直流鍍

完成上述步驟之后，調(diào)節(jié)電流，使電流密度為14A/dm2，進(jìn)行直流鍍。直流鍍20min后，打開(kāi)攪拌器進(jìn)行攪拌，使B4C微粒在鍍液中呈懸浮狀態(tài)。

1.4 性能測(cè)試

用ML-10型磨粒磨損機(jī)進(jìn)行磨損試驗(yàn)，載荷為20N，時(shí)間為1min。用71型顯微硬度計(jì)測(cè)量鍍層的顯微硬度，加載質(zhì)量為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)，測(cè)量鍍層的厚度及均勻性。

2 結(jié)果與討論

2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

各因素正交試驗(yàn)結(jié)果，如表2所示。

表2 各因素正交試驗(yàn)結(jié)果

極差分析結(jié)果表明：影響鍍層耐磨性的因素順序?yàn)锽4C的粒徑＞B4C的質(zhì)量濃度＞FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度；影響鍍層顯微硬度的因素順序?yàn)锽4C的質(zhì)量濃度＞B4C的粒徑＞FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度；影響鍍層厚度的因素順序?yàn)镕eCl2·4H2O的質(zhì)量濃度＞B4C的粒徑＞B4C的質(zhì)量濃度。

2.2 各因素對(duì)鍍層耐磨性的影響

圖1（a）～1（c）分別為B4C的質(zhì)量濃度、B4C的粒徑及FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層磨損量的影響。

圖1 各因素對(duì)鍍層磨損量的影響

由圖1可知：鍍層的磨損量隨FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度的增加逐漸增大。因此，在復(fù)合鍍時(shí)為得到耐磨性好的復(fù)合鍍層，F(xiàn)eCl2·4H2O的質(zhì)量濃度應(yīng)盡量小。而B(niǎo)4C的質(zhì)量濃度越大或B4C的粒徑越小，鍍層的耐磨性越好。這是因?yàn)殡姵练e過(guò)程中鑲嵌在鐵基體上的硬質(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［8］。

2.3 各因素對(duì)鍍層厚度的影響

圖2（a）～2（c）分別為FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度、B4C的粒徑及B4C的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層厚度的影響。

由圖2（a）可以看出：隨著FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的厚度先增大后減小。這是因?yàn)樵谝欢ǚ秶鷥?nèi)，隨著FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度的增加，F(xiàn)e2＋的質(zhì)量濃度增加，微粒表面吸附的Fe2＋數(shù)量也增加，有利于共同沉積。當(dāng)FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度過(guò)大時(shí)，離子間的相互作用增大，束縛帶電的B4C微粒移向陰極表面，不利于共同沉積，因此，鍍層厚度減小。

圖2 各因素對(duì)鍍層厚度的影響

由圖2（b）可以看出：隨著B(niǎo)4C的粒徑的減小，鍍層的厚度增大。這是因?yàn)锽4C微粒越細(xì)小，其分散和吸附能力越好，提高了共同沉積的速率。隨著Fe2＋被還原，進(jìn)入鍍層的B4C數(shù)量也越多，鍍層也越厚。

由圖2（c）可以看出：隨著B(niǎo)4C的質(zhì)量濃度的增加，鍍層的厚度增大。在相同條件下，B4C的質(zhì)量濃度增加，分散到陰極的微粒增多，脫去水膜并吸附陽(yáng)離子的B4C也增多，進(jìn)入雙電層最后被鐵原子覆蓋在鍍層中的B4C也增多；又因B4C微粒導(dǎo)電，陽(yáng)離子可以在微粒表面放電，縮短了共同沉積的時(shí)間，沉積量增加，因此，鍍層的厚度增大。

2.4 鍍層的組織形貌

在電鍍鐵的過(guò)程中B4C微粒與鐵離子共同沉積，形成復(fù)合鍍層。在鍍層中，B4C以第二相粒子的形式存在，與鍍層的結(jié)合方式為機(jī)械結(jié)合。與其他復(fù)合鍍層相同，B4C微粒復(fù)合鍍層的微裂紋顯著減少，當(dāng)B4C的粒徑和質(zhì)量濃度達(dá)到一定值時(shí)，微裂紋消失。

3 遇到的問(wèn)題及解決方案

（1）在電鍍過(guò)程中，得到的鍍件毛刺不規(guī)整。通過(guò)調(diào)整鍍液的pH值，并每隔5min檢測(cè)一次鍍液的酸度，確保pH值保持恒定，獲得規(guī)整外觀。

（2）所得鍍層的結(jié)合強(qiáng)度較差。通過(guò)在直流電鍍階段先進(jìn)行無(wú)微粒電鍍20min，再進(jìn)行有微粒電鍍，可改善鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。

4 結(jié)論

（1）影響鍍層耐磨性的因素順序?yàn)锽4C的粒徑＞B4C的質(zhì)量濃度＞FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度。

（2）影響鍍層厚度的因素順序?yàn)镕eCl2·4H2O的質(zhì)量濃度＞B4C的粒徑＞B4C的質(zhì)量濃度。

（3）影響鍍層顯微硬度的因素順序?yàn)锽4C的質(zhì)量濃度＞B4C的粒徑＞FeCl2·4H2O的質(zhì)量濃度。

（4）調(diào)整pH值能夠獲得規(guī)整的鍍層外觀；在直流鍍階段，鍍液中無(wú)微粒電鍍20min后，再進(jìn)行有微粒電鍍，可顯著提高鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。

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［1］孫凱，楊森，安寧.低溫鍍鐵技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用［J］.電鍍與環(huán)保，2011，31（5）：1-3.

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［3］LEISTNER K，F(xiàn)AHLER S，SCHLORB H，et al.Preparation and characterization of electrodeposited Fe/Pt multilayers［J］.Electrochemistry Communications，2006，8（6）：916-920.

［4］范文琴，李斌，王福全.低溫鍍鐵液中 Fe（III）的作用［J］.電鍍與環(huán)保，2003，23（3）：14-15.

［5］JARTYCH E，CHOCYK D，BUDZYNSKI M，et al.Surface morphology and local magnetic properties of electrodeposited thin iron layers［J］.Applied Surface Science，2001，180（3）：246-254.

［6］許喬瑜，劉芳.不對(duì)稱交流－直流電鍍Fe-納米ZrO2復(fù)合鍍層工藝的研究［J］.材料保護(hù)，2007，40（3）：33-36.

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［8］王金亮，遲長(zhǎng)志，王剛，等.鍍液中B4C濃度對(duì)鍍鐵層組織和性能的影響［J］.熱加工工藝，2011，40（24）：174-175.

A Study of Fe-B4C Composite Coating Plating Process

WANG Jin-liang1， XⅠ Xiao-hui2， QⅠN Zhen-bo3， ZHANG Yu4
（1.Dalian Hydrogenation Reactor Manufacturing Co.，Ltd.，China No.1Heavy Machinery Group Corporation，Dalian 116113，China；2.Dongbei Special Steel Group Co.，Ltd.，Dalian 116105，China；3.Shanghai Jiaotong University，Shanghai 200240，China；4.School of Materials，Liaoning Technical University，F(xiàn)uxin 123000，China）

By using low-temperature iron plating process，an orthogonal experiment was carried out with B4C grain size，B4C mass concentration and mass concentration of FeCl2·4H2O as three factors.The influence law of each factor on coating performance is expounded and the solutions to the problems occurring in the experiment proposed.The results show that the order of these factors influencing coating wear resistance is B4C mass concentration＞ B4C grain size＞ mass concentration of FeCl2·4H2O；the order influencing coating thickness is mass concentration of FeCl2·4H2O＞B4C grain size＞B4C mass concentration；and the order influencing coating microhardness is B4C mass concentration＞B4C grain size＞ mass concentration of FeCl2·4H2O.A neat coating appearance can be obtained by adjusting pH value；and the bonding strength between coating and substrate can be significantly improved when the plating is performed in a bath containing the particles after 20minutes of no-particle plating.

composite iron plating；B4C particle；microhardness；corrosion resistance；coating thickness

TQ 153

A

1000-4742（2014）01-0007-04

2012-05-10