基材表面粗糙度對鍍鉻層膜基結(jié)合性能的影響*

張春華， 何昭民， 關(guān)　錳， 譚俊哲， 林　斌

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 沈陽鼓風(fēng)機集團 核電泵業(yè)有限公司， 沈陽 110869)

基材表面粗糙度對鍍鉻層膜基結(jié)合性能的影響*

張春華1， 何昭民1， 關(guān)錳2， 譚俊哲2， 林斌2

(1. 沈陽工業(yè)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院， 沈陽 110870； 2. 沈陽鼓風(fēng)機集團 核電泵業(yè)有限公司， 沈陽 110869)

為了提高緊固件的摩擦磨損性能，采用直流電鍍工藝，在1Cr13鋼表面制備了單層標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻層，研究了基材1Cr13鋼表面粗糙度對其表面鍍鉻層的組織結(jié)構(gòu)與膜基結(jié)合強度的影響.利用激光共聚焦顯微鏡、掃描電子顯微鏡、能譜儀、X射線衍射儀、顯微硬度計與多功能材料表面性能測試儀對鍍鉻層的微觀組織、相結(jié)構(gòu)、顯微硬度及膜基結(jié)合強度進行了分析.結(jié)果表明，隨著基材表面粗糙度的降低，鍍鉻層表面更加致密、均勻，微裂紋數(shù)量明顯減少，鍍鉻層的顯微硬度增加，臨界載荷達到了38.7 N，膜基結(jié)合強度得到明顯提高.

電鍍鉻； 表面粗糙度； 顯微組織； 微裂紋； 硬度； 劃痕法； 結(jié)合強度； 1Cr13鋼

電鍍鉻是一種傳統(tǒng)的表面改性技術(shù)，在電鍍工業(yè)中占有極其重要的地位.長期以來，由于具有硬度高、耐磨、耐蝕、價格低廉且工藝相對簡單的特點，鍍鉻層不僅應(yīng)用于裝飾涂層，而且還廣泛應(yīng)用于各種機械設(shè)備零配件的表面強化領(lǐng)域[1-3].

目前，提高材料摩擦磨損性能的方法有很多，諸如激光熔覆[4]、等離子堆焊[5]等先進表面強化技術(shù).然而，受改性層厚度與緊固件復(fù)雜結(jié)構(gòu)的限制，通常采用電鍍鉻技術(shù)來提高緊固件表面的耐磨性.為了保證電鍍鉻后的緊固件能夠很好地配合，鍍鉻層需要足夠薄.在緊固件的服役過程中，常常會出現(xiàn)表面鍍鉻層起泡、起皮甚至脫落的現(xiàn)象[6-8]，從而難以達到預(yù)期的使用壽命，影響整個設(shè)備的正常運行，造成不必要的損失.本文以1Cr13鋼為基材，在其表面制備了鍍鉻層，著重研究了加工過程中基材表面粗糙度對鍍鉻層膜基結(jié)合性能的影響.

1　材料與方法

實驗所采用的基材為經(jīng)淬火與回火處理的1Cr13馬氏體不銹鋼，其化學(xué)成分為w(C)=0.1%～0.15%；w(Si)≤1.0%；w(Mn)≤1.0%；w(S)≤0.025%；w(P)≤0.03%；w(Ni)≤0.6%；w(Cu)≤0.3%；w(Cr)=11.5%～13.5%，其余為Fe.試樣直徑為35 mm、長度為3 mm.分別采用磨削加工，以及400#、1 000#金相砂紙打磨的方式對試樣表面進行打磨處理.將試樣置于丙酮溶液中進行為時5 min的超聲波清洗后，對試樣進行干燥并備用.采用OLS4100型激光共聚焦顯微鏡測量試樣的表面粗糙度(Ra)，結(jié)果如表1所示.

表1　1Cr13基材表面處理工藝與粗糙度

采用直流電鍍工藝，在試樣表面進行鍍鉻處理.鍍液采用標(biāo)準(zhǔn)電鍍液(鉻酸酐為250 g/L，硫酸為2.5 g/L)，電鍍溫度為(58±1) ℃，陰極電流密度為3 000 A/m2，電鍍時間為2 h.采用日立S-3400N型掃描電子顯微鏡觀察鍍鉻層表面與橫截面的形貌，并采用能譜儀對鍍鉻層進行成分分析.采用D/max-7000PC型X射線衍射儀分析鍍鉻層的組織結(jié)構(gòu).在X射線衍射實驗中，選用CuKα射線，工作電壓為40 kV，工作電流為35 mA，掃描速度為2°/min，掃描范圍為40°～100°.采用TMVS-1維氏硬度計測量鍍鉻層的硬度，施加的載荷分別為0.49、0.98、1.96和2.94 N，加載時間為15 s.利用MFT-4000型多功能材料表面性能測試儀，采用劃痕法對試樣的膜基結(jié)合性能進行分析.其中，終止載荷為100 N，加載速度為20 N/min，劃痕距離為10 mm，實驗溫度為(20±1) ℃.

2　結(jié)果與分析

2.1鍍鉻層的表面形貌

圖1為1Cr13鋼表面鍍鉻層的表面形貌.

圖1　鍍鉻層的表面形貌

由圖1可見，鍍鉻層表面出現(xiàn)許多不規(guī)則的球狀鉻瘤，鍍液成分不均勻，以及陰極與陽極間距太近是形成鉻瘤的主要原因.由圖1a可見，由于基材表面粗糙度過大，鉻離子沿劃痕方向沉積，并聚集形成了條狀的鍍鉻層.由圖1b、c可見，隨著基材表面粗糙度的降低，鍍鉻層表面趨于平整，且存在少量微裂紋.這主要是因為在電鍍過程中，氫與鉻發(fā)生反應(yīng)生成了鉻氫化合物，氫原子進入鉻的晶格中，致使晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，導(dǎo)致由氧化物、氫氧化物與氫化物組成的晶體結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生較高的內(nèi)應(yīng)力.當(dāng)鍍鉻層達到一定厚度時，該內(nèi)應(yīng)力會促使鍍鉻層表面出現(xiàn)微裂紋[9].微裂紋的產(chǎn)生是電鍍鉻工藝無法完全避免的現(xiàn)象，且鍍層越厚，這種現(xiàn)象越明顯.

2.2鍍鉻層的橫截面形貌

圖2為1Cr13鋼表面鍍鉻層的橫截面形貌.

圖2　鍍鉻層的橫截面形貌

由圖2可見，基材表面粗糙度直接影響了鍍鉻層與基材的結(jié)合狀況.由圖2a可見，當(dāng)基材表面粗糙度過大時，鍍鉻層與基材界面處易存在缺陷，諸如氣孔、微裂紋等.這是因為當(dāng)基材表面粗糙度過大時，在鍍鉻層沉積過程中，鍍鉻層的晶粒形核、長大過程較為緩慢，導(dǎo)致基材表面鉻晶粒尺寸不均勻且分布疏松.因此，隨著鍍鉻層沉積過程的進行，在界面處極易形成氣孔、微裂紋等缺陷.由圖2b可見，當(dāng)基材表面粗糙度較小時，鍍鉻層和基材界面清晰，未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，形成的鍍鉻層較為均勻，但橫截面出現(xiàn)了由界面生長出的微裂紋.這主要是因為隨著鍍鉻層沉積時間的延長，鍍鉻層厚度隨之增加，殘余拉伸應(yīng)力得到釋放，從而形成貫穿性裂紋.由圖2c可見，當(dāng)基材表面粗糙度繼續(xù)減小時，形成的鍍鉻層更加均勻平整，鍍層與基材界面清晰，結(jié)合緊密，且未發(fā)現(xiàn)氣孔、裂紋等缺陷.

2.3鍍鉻層的相結(jié)構(gòu)

圖3為在不同表面預(yù)處理條件下，鍍鉻層的XRD圖譜，且譜線a～c對應(yīng)的表面粗糙度分別為0.516、0.142與0.059 μm.

圖3　鍍鉻層的XRD圖譜

由圖3可見，鍍鉻層中的相結(jié)構(gòu)比較簡單，只含有純金屬Cr，未發(fā)現(xiàn)其他相.隨著基材表面預(yù)處理方式的不同，鍍鉻層的衍射峰強度發(fā)生了不同程度的變化，表明基材表面粗糙度的改變影響了鍍鉻層晶粒的生長方向[10].隨著基材表面粗糙度的降低，(110)晶面衍射峰強度大幅度減小.與表面粗糙度為0.059 μm的情況相比，當(dāng)基材表面粗糙度為0.142 μm時，(110)晶面的衍射峰強度的減小趨勢相對較緩，表明隨著基材表面粗糙度的降低，鉻晶粒在(110)晶面軸向方向的生長受到了抑制，且當(dāng)基材表面粗糙度足夠小時，鉻晶粒生長趨于穩(wěn)定.觀察圖3還可以發(fā)現(xiàn)，鉻晶粒在(220)晶面軸向方向的生長也隨著基材表面粗糙度的降低而受到抑制.當(dāng)基材表面粗糙度達到0.059 μm時，(220)晶面的衍射峰強度趨于零.此外，隨著基材表面粗糙度的減小，(200)晶面的衍射峰強度逐漸增加，而(211)晶面的衍射峰強度逐漸減弱.當(dāng)基材表面粗糙度為0.059 μm時，(211)晶面的衍射峰強度驟降，但仍然是鍍鉻層晶粒的優(yōu)勢生長面.

2.4鍍鉻層的硬度

圖4為采用不同法向載荷測試得到的鍍鉻層硬度壓痕形貌.

圖4　鍍鉻層的硬度壓痕形貌

由圖4可見，隨著基材表面粗糙度的減小，試樣的硬度增加，而硬度壓痕則相應(yīng)的減小.這是因為基材表面粗糙度越小，鍍鉻層越致密，硬度越高.另外，硬度壓痕周圍出現(xiàn)的不同程度的裂紋也能表明鍍鉻層的致密程度，從而反映鍍鉻層的硬度.由圖4a可見，當(dāng)載荷為0.98 N時，硬度壓痕周圍出現(xiàn)了微裂紋，隨著載荷的增加，硬度壓痕周圍的裂紋越來越多.由圖4b可見，當(dāng)載荷為2.94 N時，硬度壓痕周圍出現(xiàn)了數(shù)量較少的微裂紋，表明該鍍鉻層的致密性有所改善.由圖4c可見，在所有載荷條件下，硬度壓痕周圍均未出現(xiàn)微裂紋，表明該鍍鉻層的致密性最佳.

表2為在不同表面預(yù)處理條件下，1Cr13鋼表面鍍鉻層的硬度.其中，基材1Cr13鋼的硬度為HV 240.8.隨著載荷的增大，顯微硬度計壓頭壓入試樣所造成的應(yīng)變影響區(qū)逐步擴展到基材，使硬度較低的基材發(fā)生變形，因而測量得到的硬度是鍍鉻層與基材共同作用的結(jié)果.若進一步增加載荷，基材變形區(qū)的比例將增加，且鍍鉻層的硬度逐漸趨向于靠近基材的硬度值.

表2不同粗糙度下1Cr13鋼表面鍍鉻層的硬度值

Tab.2Hardness values of electroplated Cr layer on surface of 1Cr13 steel with different surface roughness

HV

膜基體系的硬度可以利用膜基硬度比與載荷的關(guān)系曲線進行評定.當(dāng)同一種基材對鍍鉻層的支撐作用大致相同時，可考察基材表面粗糙度對膜基體系硬度的影響.同時，膜基硬度比與載荷的關(guān)系曲線可以表征膜基的結(jié)合性能.膜基硬度比與載荷的關(guān)系曲線的下降速度越慢，表明膜基的協(xié)同變形能力越好，膜基的結(jié)合強度也越高[11].

圖5為1Cr13鋼的鍍鉻層膜基硬度比與載荷的關(guān)系曲線.由圖5可見，當(dāng)基材表面粗糙度為0.059 μm時，鍍鉻層與基材1Cr13鋼體系的膜基硬度比與載荷的關(guān)系曲線下降得最為緩慢，表明該粗糙度下，基體與鍍鉻層的結(jié)合性能最好，膜基的協(xié)同變形能力最強.利用膜基硬度比與載荷的關(guān)系曲線可以近似計算得到當(dāng)載荷足夠小(0.49 N)時膜基體系的硬度，且可以認為該硬度值近似等于鍍鉻層的真實硬度.當(dāng)基材表面粗糙度為0.516、0.142和0.059 μm時，鍍鉻層所對應(yīng)的硬度分別為HV 1 069.2、HV 1 129.3與HV 1 174.2.

圖5　鍍鉻層膜基硬度比與載荷的關(guān)系

2.5鍍鉻層的膜基結(jié)合強度

膜基結(jié)合強度的測試方法有很多，諸如劃痕法、壓入法與接觸疲勞法等，但應(yīng)用較為廣泛的是劃痕法[12].顯微硬度計壓頭與鍍鉻層接觸后，當(dāng)法向載荷較小時，鍍鉻層開始出現(xiàn)彈性變形，但與基材仍然保持良好的附著，隨著法向載荷的增加，鍍鉻層發(fā)生塑性變形并開始出現(xiàn)剝落、脫離基體的現(xiàn)象.將鍍鉻層開始與基底分離時對應(yīng)的載荷定義為臨界載荷.利用劃痕法測量鍍鉻層與基材之間的結(jié)合力，當(dāng)鍍鉻層出現(xiàn)裂紋或脫落時，伴隨有聲發(fā)射信號的反饋(表現(xiàn)為聲發(fā)射信號出現(xiàn)突然增大的現(xiàn)象)，表明鍍鉻層與基材的結(jié)合發(fā)生失效，且鍍鉻層失效時的載荷即為臨界載荷.在劃痕實驗中，由于受到周圍環(huán)境與實驗設(shè)備的影響，所接收到的聲發(fā)射信號會有雜峰的出現(xiàn)，這會為臨界載荷的判斷帶來不確定因素，因而有時需要結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果進行綜合評定[13].

圖6　鍍鉻層結(jié)合力聲信號曲線及劃痕形貌

Ra/μm臨界載荷/N0.51610.40.14223.80.05938.7

由圖6可見，基材表面粗糙度對膜基結(jié)合性能的影響較大.在劃痕實驗初期，由于壓頭法向載荷較小，鍍鉻層雖然變薄，但基本無破裂區(qū)域，僅出現(xiàn)少量裂紋.隨著壓頭法向載荷的增加，開始出現(xiàn)了鍍鉻層的網(wǎng)狀開裂區(qū)域，裂紋數(shù)量逐漸增多，裂紋寬度增加，鍍鉻層出現(xiàn)剝落，基材裸露面積增大，劃痕的寬度也隨之增加.由圖6a可見，在劃痕實驗初期，便接收到了聲信號，且聲信號的突變峰較多，表明受基材表面粗糙度的影響，制備的鍍鉻層缺陷較多，質(zhì)量較差，此時鍍鉻層的臨界載荷為10.4 N(見表3).當(dāng)壓頭法向載荷超過臨界載荷后，鍍鉻層表面裂紋數(shù)量急劇增加，導(dǎo)致結(jié)合強度較差.由圖6b可見，隨著基材表面粗糙度的減小，鍍鉻層質(zhì)量有所改善，臨界載荷提高到23.8 N(見表3).由圖6c可見，當(dāng)基材表面粗糙度為0.059 μm時，鍍鉻層質(zhì)量較好，臨界載荷達到38.7 N，遠遠高于其他基材表面粗糙度下獲得的鍍鉻層臨界載荷數(shù)值(見表3).結(jié)合圖6和表3還可以發(fā)現(xiàn)，基材表面粗糙度越小，聲信號產(chǎn)生波動的臨界載荷越大，膜基結(jié)合性能越好.

3　結(jié)　論

通過研究基材1Cr13鋼表面粗糙度對其鍍鉻層組織結(jié)構(gòu)與膜基結(jié)合強度的影響，可以得到以下結(jié)論：

1) 隨著基材1Cr13鋼表面粗糙度的降低，鍍鉻層表面趨于平整、致密，鍍鉻層厚度減小，而硬度相對增加，且鍍鉻層中的微裂紋數(shù)量明顯減少.

2) 隨著基材1Cr13鋼表面粗糙度的減小，鍍鉻層在(110)、(211)晶面的軸向方向的生長受到了抑制，且(211)晶面一直為優(yōu)勢生長面.

3) 隨著基材1Cr13鋼表面粗糙度的減小，鍍鉻層的結(jié)合強度得到提高.當(dāng)基材表面粗糙度為0.059 μm時，臨界載荷達到38.7 N，此時膜基結(jié)合性能最佳.

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(責(zé)任編輯：尹淑英英文審校：尹淑英)

Influence of surface roughness of substrate on coating-substrate adhesive properties of electroplated Cr layer

ZHANG Chun-hua1, HE Zhao-min1, GUAN Meng2, TAN Jun-zhe2, LIN Bin2

(1. School of Materials Science and Engineering, Shenyang University of Technology, Shenyang 110870, China; 2. Nuclear Power Pump Co. Ltd., Shenyang Blower Works Group Corporation, Shenyang 110869, China)

In order to improve the friction and wear properties of fasteners, the single layer standard electroplated Cr layer was prepared on the surface of 1Cr13 steel with the direct current electroplating process. The effect of surface roughness of 1Cr13 steel substrate on the microstructure of electroplated Cr layer and adhesive strength of coating-substrate was investigated. The microstructure, phase constituent, microhardness, adhesive strength of coating-substrate for the electroplated Cr layer were characterized with the laser scanning confocal microscope (LSCM), scanning electron microscope (SEM), energy dispersive spectroscope (EDS), X ray diffractometer (XRD), microhardness tester and multifunctional materials surface performance tester. The results show that with decreasing the surface roughness of substrate, the surfaces of electroplated Cr layer become denser and more uniform. The number of micro-cracks significantly decreases, while the microhardness of electroplated Cr layer increases. Moreover, the critical load reaches 38.7 N, and the coating-substrate adhesive strength gets obviously improved.

chromium electroplating; surface roughness; microstructure; micro-crack; hardness; scratch method; adhesive strength; 1Cr13 steel

2015-09-15.

國家科技專項基金資助項目(2013ZX06002-002)； 遼寧省自然科學(xué)基金資助項目(2013020101)； 沈陽市科技計劃項目(F13-318-1-52).

張春華(1963-)，男，遼寧沈陽人，教授，博士，主要從事材料表面工程等方面的研究.

10.7688/j.issn.1000-1646.2016.03.07

TG 174.44

A

1000-1646(2016)03-0274-06

*本文已于2016-03-02 16∶45在中國知網(wǎng)優(yōu)先數(shù)字出版. 網(wǎng)絡(luò)出版地址： http：∥www.cnki.net/kcms/detail/21.1189.T.20160302.1645.038.html