鎳鐵-立方氮化硼復(fù)合電刷鍍工藝研究

王照鋒

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

鎳鐵-立方氮化硼復(fù)合電刷鍍工藝研究

王照鋒

（河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450046）

通過復(fù)合電刷鍍在20鋼基體表面制備鎳鐵-立方氮化硼(CBN)復(fù)合鍍層。研究了施鍍電壓、鍍液溫度及鍍筆速率對復(fù)合鍍層中CBN含量的影響，分析了鍍層中CBN含量與耐磨性之間的關(guān)系。復(fù)合電刷鍍NiFe-CBN的鍍液組成和最佳工藝條件為：NiSO4·6H2O 270 ~ 300 g/L，F(xiàn)eCl2·2H2O 23 ~ 27 g/L，H3BO326 ~ 30 g/L，Na3C6H5O7·2H2O 20 ~ 30 g/L，糖精 2 ~ 3 g/L，十六烷基三甲基溴化銨0.2 ~ 0.3 g/L，pH 3.2 ~ 4.0，電壓14 V，溫度50 ℃，鍍筆速率15 m/min，時間100 ~ 120 min。在最佳工藝下所得鍍層的CBN質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.8%，顯微硬度為770 HV，耐磨性和結(jié)合力良好。

鎳鐵合金；立方氮化硼；復(fù)合電刷鍍；耐磨性

Author’s address:Henan Vocational Technical College,Zhengzhou 450046, China

復(fù)合電刷鍍是一種新型的電刷鍍工藝，制備的復(fù)合鍍層具有高硬度、高耐磨性等特點。近年來國內(nèi)外學(xué)者開展了大量關(guān)于復(fù)合電刷鍍的研究工作[1-6]。田俊玲等[7]通過鎳鐵-金剛石復(fù)合電刷鍍工藝制得高金剛石含量和高耐磨性的復(fù)合鍍層。李衛(wèi)紅等[8]采用復(fù)合電刷鍍技術(shù)制備了自潤滑性能良好的 Ni-PTFE復(fù)合鍍層。羅建東等[9]制備了硬度高和耐磨性好的 Ni-P-SiC復(fù)合鍍層，主要用于拉深模具中。眾所周知，立方氮化硼(CBN)具有硬度高、熱穩(wěn)定性好和耐磨損性能優(yōu)越等優(yōu)點[10]。一般情況下，CBN微粒與鍍層金屬之間并非化學(xué)冶金結(jié)合，容易出現(xiàn)松動，甚至脫落等現(xiàn)象。因此CBN微粒較少用于制備復(fù)合鍍層。本文在鍍前對CBN進(jìn)行表面活化和敏化處理，使其表面形成金屬鈀質(zhì)點，增強(qiáng)了鍍層金屬與CBN微粒之間的結(jié)合力，并對復(fù)合電刷鍍鎳鐵-立方氮化硼的工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，獲得了高硬度、高耐磨性的 NiFe-CBN復(fù)合鍍層，以滿足工程應(yīng)用的需要。

1 實驗

1.1 材料與設(shè)備

以直徑45 mm、厚10 mm的20鋼為基體材料，采用 SD-30B型刷鍍電源和不溶性石墨陽極進(jìn)行電刷鍍。鍍液采用上海儀純實業(yè)有限公司DL-1型電熱器加熱，水浴保溫。

1.2 工藝流程

砂紙打磨—丙酮除油—沖洗—電凈(試樣接負(fù)極)—沖洗—活化(試樣接正極)—沖洗—電刷鍍—沖洗—鍍后處理—沖洗—干燥。

1.3 立方氮化硼的預(yù)處理

立方氮化硼的粒度為100 ~ 150目，其預(yù)處理過程包含磁選、凈化、敏化和活化。具體為：先對CBN進(jìn)行磁選，隨后置于10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的稀硝酸中煮沸20 ~30 min，冷卻后用蒸餾水沖洗至中性；用 18 g/L SnCl2·2H2O + 40 mL/L 鹽酸(密度 1.19 g/mL)溶液進(jìn)行室溫敏化，時間5 min；用蒸餾水沖洗至中性后，采用0.2 g/L PdCl2+ 35 mL/L鹽酸(密度1.19 g/mL)溶液在室溫下進(jìn)行活化，時間2 min；用蒸餾水沖洗至中性并烘干后浸泡在鍍液中。

1.4 配方與工藝

1.4.1 電凈

1.4.2 活化

1.4.3 電刷鍍

1.5 性能檢測

1.5.1 氮化硼含量

采用Genesis 60s能譜儀(EDS)測定鍍層中立方氮化硼的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。

1.5.2 耐磨性

采用河北宣化材料試驗機(jī)廠的MM-200型磨損試驗機(jī)測定。采用室溫環(huán)塊式干滑動摩擦，對磨環(huán)材料為直徑45 mm的Cr12鋼，其硬度為760 HV，載荷為50 N，對磨環(huán)轉(zhuǎn)速為400 r/min，磨損時間為20 min。試驗前后，均用丙酮超聲清洗試樣12 min。按下式計算磨損率：

式中，w為磨損率，m為磨損損失質(zhì)量，m1、m2為刷鍍前、后試樣的質(zhì)量。

1.5.3 顯微硬度

利用上海泰明光學(xué)儀器公司的 HX-500型顯微硬度計測定鍍層的顯微硬度，載荷為100 g，停留時間為30 s，隨機(jī)測定5個點，取平均值。

1.5.4 厚度和結(jié)合力

用上海滬粵明科學(xué)儀器有限公司的 HCC-18型磁性測厚儀測定鍍層厚度。采用銼刀試驗法測定鍍層的結(jié)合力。

2 結(jié)果與討論

2.1 電壓對鍍層CBN含量的影響

圖1為溫度50 ℃、鍍筆速率15 m/min時，復(fù)合鍍層中CBN含量隨施鍍電壓變化的關(guān)系曲線。

圖1 電刷鍍電壓對鍍層CBN含量的影響Figure 1 Effect of electro-brush plating voltage on CBN content in coating

從圖1可知，隨施鍍電壓增大，鍍層的CBN含量先增大后減小。這是因為施鍍電壓較低時，提高施鍍電壓有利于CBN顆粒的沉積。但電壓增大到14 V以后，隨電壓升高，電流密度也增大，此時CBN沉積速率的增大幅度小于鎳沉積速率的增大幅度，從而使鍍層中CBN含量相對降低。因此，選擇鍍層中CBN含量較高的14 V作為下一輪試驗的電壓。

2.2 溫度對鍍層CBN含量的影響

圖2為施鍍電壓為14 V、鍍筆速率為15 m/min時，鍍層中CBN含量隨鍍液溫度變化的關(guān)系曲線。

圖2 鍍液溫度對鍍層CBN含量的影響Figure 2 Effect of electro-brush plating temperature on CBN content in coating

從圖2可以看出，隨鍍液溫度升高，鍍層中CBN含量增大；50 ℃時，鍍層中CBN含量達(dá)到最大；繼續(xù)升溫，鍍層CBN含量略有下降。這是由于增大鍍液溫度，也就加快了鍍液中CBN粒子的熱運動，吸附在陰極上的CBN數(shù)量也必然增加，鍍層中的CBN含量隨之增大。鍍液溫度為50 ℃時，吸附在陰極上的CBN粒子數(shù)量達(dá)到飽和，并且隨CBN粒子熱運動的加快，一部分吸附在陰極上的粒子被碰撞掉，因此鍍層中CBN的含量開始減少。因此選擇電刷鍍溫度為50 ℃。

2.3 鍍筆速率對鍍層CBN含量的影響

圖3所示為施鍍電壓14 V、鍍液溫度50 ℃時，鍍層中CBN含量隨鍍筆速率變化的關(guān)系曲線。

圖3 鍍筆速率對鍍層CBN含量的影響Figure 3 Effect of moving rate of plating pen on CBN content in coating

從圖3可知，隨鍍筆速率增大，鍍層CBN含量先增后減。這是由于隨鍍筆速率增大，CBN粒子撞擊工件表層的機(jī)率增大，CBN顆粒被埋入基質(zhì)鍍層的機(jī)率也增大；但鍍筆速率過高時，CBN顆粒在沒有被埋牢之前又被鍍筆包套抹掉。因此選擇15 m/min作為施鍍的鍍筆速率。

2.4 鍍層中CBN含量對鍍層耐磨性的影響

圖4為NiFe-CBN鍍層的耐磨性隨鍍層CBN含量變化的關(guān)系曲線。

圖4 CBN含量對鍍層耐磨性能的影響Figure 4 Effect of CBN content in coating on wear resistance of coating

由圖4可以看出，隨鍍層中CBN含量增大，鍍層的磨損率降低，耐磨性能改善。這是由于CBN硬質(zhì)顆粒的加入提高了鍍層的顯微硬度，同時CBN硬質(zhì)顆粒暴露在磨損表面上，可承受較多的應(yīng)力，有效抵抗了配副件所產(chǎn)生的微切削，提高了鍍層的耐磨性。

2.5 鍍層的顯微硬度、厚度和結(jié)合力

在最佳工藝條件下制備的NiFe合金和NiFe-CBN復(fù)合鍍層的顯微硬度見表1。與NiFe合金鍍層相比，NiFe-CBN復(fù)合鍍層的顯微硬度提高了1倍。

表1 復(fù)合鍍層的顯微硬度Table 1 Microhardness of composite coating

采用測厚儀測得鍍層厚度約為0.2 mm。用銼刀在刷鍍的鍍層表面沿45°角銼磨，鍍層未出現(xiàn)起皮或脫落現(xiàn)象，說明 NiFe-CBN復(fù)合鍍層與基體之間結(jié)合得較好。

3 結(jié)論

(1)復(fù)合電刷鍍 NiFe-CBN的最佳工藝條件為：施鍍電壓14 V，施鍍溫度50 ℃，鍍筆速率15 m/min。

(2)在最佳工藝條件下施鍍 100 min所得 NiFe-CBN復(fù)合鍍層中CBN的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為9.8%，顯微硬度約為770 HV，厚度為0.2 mm，耐磨性和結(jié)合力良好。

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Study on nickel-iron-cubic boron nitride composite electro-brush plating process

WANG Zhao-feng

A nickel-iron-cubic boron nitride (CBN)composite coating was prepared on 20 steel substrate by electro-brush plating.The effects of plating voltage, bath temperature, and moving rate of plating pen on the CBN content in composite coating were studied.The relationship between the CBN content in composite coating and its wear resistance was analyzed.The plating bath composition and optimal process conditions are as follows: NiSO4·6H2O 270-300 g/L, FeCl2·2H2O 23-27 g/L, H3BO326-30 g/L,Na3C6H5O7·2H2O 20-30 g/L, saccharine 2-3 g/L, cetrimonium bromide 0.2-0.3 g/L, pH 3.2-4.0, voltage 14 V, temperature 50 ℃, moving rate of plating pen 15 m/min, and time 100-120 min.The composite coating obtained contains 9.8wt% CBN, has a microhardness of 770 HV, and shows excellent wear resistance and adhesion to the substrate.

nickel-iron alloy; cubic boron nitride; composite electro-brush plating; wear resistance

TQ153.2

A

1004-227X (2014)15-0656-03

2014-04-14

2014-06-s09

王照鋒（1979-），男，河南淮濱人，碩士，講師，從事機(jī)械工程表面技術(shù)研究。

(E-mail)187383001@qq.com。

周新莉]