電流密度對鈷?碳化鉻復合電鍍層組織的影響

王帥 ，劉建明 ，黃凌峰 ，劉通 ，張鑫

（1.礦冶科技集團有限公司，北京 100160；2.北京市工業(yè)部件表面強化與修復工程技術(shù)研究中心，北京 102206；3.特種涂層材料與技術(shù)北京市重點實驗室，北京 102206）

在鍍液中添加一種或多種不同尺寸的不溶于鍍液的顆粒，使之在鍍液中懸浮或者配置于基體表面，通過金屬離子的陰極還原，得以將微粒均勻地包裹，使之進入鍍層中的過程叫復合電鍍，又叫分散電鍍、組合電鍍等[1-2]。添加的顆粒增強相使鍍層具有了更加優(yōu)異的綜合性能，從而擁有更廣闊的應(yīng)用前景。

鈷基復合鍍層具有優(yōu)良的耐高溫磨損性能，尤其是在700 °C時仍能保持一定的硬度，被廣泛應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域，其中Co–Cr3C2復合鍍層與大多數(shù)飛機材料的組合都具有良好的界面匹配性能，且在高于300 °C工作時隨著溫度升高，鍍層表面會生成一層玻璃釉層，具有良好的減磨作用[3-6]。然而目前關(guān)于Co–Cr3C2復合鍍層的工藝研究報道較少，工藝參數(shù)對Co–Cr3C2鍍層質(zhì)量的影響規(guī)律尚不明確。為提高鍍層質(zhì)量，本文通過復合電鍍方法制備了Co–Cr3C2復合鍍層，研究了不同電流密度對鍍層質(zhì)量的影響。

1 實驗

基材采用鎳基高溫合金GH4169，試樣直徑25 mm、厚度4 mm?；脑谶M行復合電鍍之前進行如下表面處理：打磨→去離子水沖洗→活化→去離子水沖洗。復合鍍液采用去離子水配制，其基本成分是CoSO4·7H2O 400 g/L、NaCl 20 g/L和H3BO330 g/L，所用Cr3C2粉末粒徑為2～10 μm，試驗的電流密度分別為5、6、7和8 A/dm2。

采用上海東方光學儀器有限公司的XTL-240顯微鏡觀察試樣表面形貌。采用BRILLANT 220型自動切割機將制得的帶鍍層的試樣切開，獲取鍍層斷面，進行金相冷鑲制樣，400號、800號和1000號砂紙依次打磨后拋光。利用HITACHI SU5000型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層表面形貌，并利用附帶的能譜儀(EDS)測定鍍層中鉻的質(zhì)量分數(shù)，采用差值法計算鍍層中碳化鉻的含量。

2 結(jié)果與討論

2.1 電流密度對鍍層形貌的影響

由圖1可見，隨著電流密度升高，鍍層表面先致密后粗糙。分析認為：陰極電流密度較小時，金屬沉積較慢，鍍液會將來不及被鑲嵌的顆粒沖走，導致金屬顆粒不容易被鑲嵌，因此鍍層表面較為平整；隨著電流密度增大至6 A/dm2，金屬沉積速率增大，金屬顆粒更易被捕獲，鍍層孔隙減少，鍍層逐漸趨于致密；電流密度進一步增大至7 A/dm2和8 A/dm2時，金屬沉積過快，鍍層內(nèi)部結(jié)晶過快，鍍層表觀粗糙。

圖1 不同電流密度下所得Co–Cr3C2復合鍍層的宏觀形貌Figure 1 Macro-morphologies of Co–Cr3C2 composite coatings electroplated at different current densities

由圖2可見，4種電流密度下的鍍層組織均勻，但當電流密度為5、7和8 A/dm2時，可明顯看到鍍層最上端存在凸起問題；當電流密度為6 A/dm2時，最上端鍍層較為平整，這與宏觀觀察結(jié)果一致。分析認為，隨著電流密度增加，金屬沉積速率加快，導致鍍層結(jié)晶過快，結(jié)合不牢固。對比圖2b、2c和2d可以看出，當電流密度為7 A/dm2和8 A/dm2時，鍍層內(nèi)的粉末與電流密度為6 A/dm2時相比大為減少，這可能是因為隨著電流密度的增加，粉末的沉積速率趕不上金屬沉積的速率，于是導致粉末復合量下降。

2.2 電流密度對鍍層生長速率的影響

采用稱重法研究不同電流密度下鍍層的生長速率v，電鍍時間均為3 h，按式(1)[7]進行計算，結(jié)果如圖3所示。

式中m1是未電鍍時試樣的質(zhì)量(單位：mg)，m2是電鍍后試樣的質(zhì)量(單位：mg)，A是鍍層面積(單位：cm2)，t是電鍍時間(單位：s)。

圖2 不同電流密度下所得Co–Cr3C2復合鍍層的剖面組織微觀形貌Figure 2 Cross-sectional micromorphologies of Co–Cr3C2 composite coatings electroplated at different current densities

如圖3所示，隨著電流密度的增大，鍍層生長速率逐漸增大，當電流密度由5 A/dm2增大到6 A/dm2時，鍍層生長速率提高了24%；但當電流密度為7 A/dm2和8 A/dm2時，鍍層生長速率增大幅度變緩。由式(2)所示的塔菲爾公式可知，電流密度低(如5 A/dm2)時，電沉積的原動力(電極過電位)較??；增大電流密度(如6 A/dm2)，電極的放電能力增加，電極過電位加大，沉積速率將會提高；但是當電流密度增大到一定程度(如7 A/dm2和8 A/dm2)時，粉末沉積速率趕不上金屬沉積速率，導致鍍層中粉末復合量下降，試樣電鍍后的增重變小，整體體現(xiàn)就是鍍層的生長速率增加變緩。

式中η是過電位，j是電流密度，a和b是塔菲爾常數(shù)(與電極材料表面狀態(tài)、溫度、濃度有關(guān))。

2.3 電流密度對鍍層粉末復合量的影響

由圖4可以看出，隨著電流密度的增大，粉末復合量呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢，這有力地佐證了2.2節(jié)的分析。

圖3 電流密度對Co–Cr3C2復合鍍層生長速率的影響Figure 3 Effect of current density on deposition rate of Co–Cr3C2 composite coating

圖4 電流密度對Co–Cr3C2鍍層中粉末復合量的影響Figure 4 Effect of current density on content of particles in Co–Cr3C2 composite coating

3 結(jié)論

(1) 隨著電流密度逐漸增大，鍍層形貌先變致密后變粗糙，沉積速率逐漸增大，但增大幅度在6 A/dm2以上時趨緩，粉末復合量則呈現(xiàn)先升高后下降的趨勢。

(2) 結(jié)合電流密度對鍍層組織、生長速率及粉末復合量的影響，在所試驗的參數(shù)范圍內(nèi)，電流密度為6 A/dm2時獲得的鍍層外觀質(zhì)量最好，粉末復合量最高，組織均勻性也較好。