賴燕君,曾憲榮,牟柳晨
(1. 順德職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣東 佛山 528333; 2. 四川大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,四川 成都 610065)
鋅合金鍍層是鋅與鐵、鎳、鈷、磷等元素通過共沉積獲得的合金鍍層,由于引入其他元素產(chǎn)生協(xié)同或固溶強(qiáng)化效應(yīng),因此鋅合金鍍層的綜合性能優(yōu)于常規(guī)鋅鍍層。目前關(guān)于鋅合金鍍層的研究主要集中在制備工藝參數(shù)優(yōu)化、鋅合金鍍層的結(jié)構(gòu)與耐腐蝕性能分析等方面。田壽生[1]采用電沉積方法獲得了Zn-Fe 合金鍍層,并通過單因素實(shí)驗(yàn),優(yōu)化了Zn-Fe合金鍍層的電沉積工藝參數(shù),包括鍍液溫度、電流密度、攪拌速度以及鍍液中鋅離子濃度、添加劑濃度等。劉永強(qiáng)等[2]在酸性鍍液中電沉積獲得了Zn-Ni合金鍍層,研究發(fā)現(xiàn),向鍍液中添加適量聚乙二醇-600 會(huì)影響電沉積過程,并且有助于提高Zn-Ni 合金鍍層的耐腐蝕性能。譚鵬等[3]采用電沉積方法獲得了Zn-Ni-Ag 合金鍍層,研究發(fā)現(xiàn),Zn-Ni-Ag 合金鍍層的耐腐蝕形貌明顯好于常規(guī)Zn鍍層,在含有硫酸鹽還原菌的環(huán)境中能為20鋼基體提供防護(hù)作用。Bhat 等[4]采用脈沖電沉積方法獲得多層Zn-Co 合金鍍層,通過與常規(guī)鍍層進(jìn)行比較,證實(shí)了多層Zn-Co合金鍍層具有優(yōu)良的耐腐蝕性能。Choudhary 等[5]同樣采用脈沖電沉積方法獲得Zn-Ni-Co 合金鍍層,研究發(fā)現(xiàn)在較低電流密度和脈沖頻率下獲得的Zn-Ni-Co合金鍍層具有更好的耐腐蝕性能。
然而,關(guān)于鋅合金鍍層機(jī)械性能的研究鮮見報(bào)道。實(shí)際上,鋅與其他元素共沉積過程中產(chǎn)生協(xié)同或固溶強(qiáng)化效應(yīng),也會(huì)提高鋅合金鍍層的機(jī)械性能。具有良好機(jī)械性能的鋅合金鍍層可以應(yīng)用于汽車、家電和建筑等行業(yè),滿足不同的應(yīng)用要求。因此,研究鋅合金鍍層的機(jī)械性能對(duì)于擴(kuò)大其應(yīng)用范圍具有參考價(jià)值。本文利用電沉積方法在銅基體上制備不同鋅合金鍍層,并進(jìn)一步研究不同鋅合金鍍層的耐腐蝕與機(jī)械性能。
實(shí)驗(yàn)基體為1 mm 厚的銅板,依次經(jīng)過拋光、除油、酸洗、水洗和干燥處理。除油使用氫氧化鈉(45 g/L)與碳酸鈉(10 g/L)混合溶液,加熱到65 ℃,將銅板放入浸泡8 min。酸洗使用稀鹽酸溶液,常溫條件下將銅板放入浸泡1 min。水洗使用去離子水,銅板洗凈后放入恒溫箱中干燥處理。
以鉛板作為陽(yáng)極,預(yù)處理后銅板作為陰極,浸在不同鍍液中(組成見表1)。采用直流穩(wěn)壓電源,電流密度設(shè)置2 A/dm2,不同鍍液的溫度均為60 ℃左右,電沉積時(shí)間均為80 min。利用電沉積方法在銅基體上分別制備Zn-Ni 合金鍍層、Zn-Co 合金鍍層、Zn-Ni-P合金鍍層和Zn-Ni-W 合金鍍層,實(shí)驗(yàn)結(jié)束后使用去離子水清洗每個(gè)試樣,立即吹干后測(cè)試不同鋅合金鍍層的性能。
表1 不同鍍液組成Tab.1 Composition of different plating solution g·L-1
1.3.1 微觀形貌與晶相結(jié)構(gòu)
利用MERLIN Compact 型掃描電鏡放大10000倍觀察不同鋅合金鍍層的微觀形貌,并利用X’Pert PRO PANalytical 型X 射線衍射儀分析不同鋅合金鍍層的晶相結(jié)構(gòu)。以銅靶作為發(fā)射源,工作電壓和電流分別為40 kV、40 mA,掃描角度范圍25~90 °,步長(zhǎng)為0.02 °。
1.3.2 結(jié)合強(qiáng)度
參照GB/T 5270—2005,通過熱震實(shí)驗(yàn)測(cè)試不同鋅合金鍍層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。操作步驟如下:將試樣置于恒溫箱式電阻爐中加熱到250 ℃,保溫30 min 后取出試樣自然冷卻。熱震實(shí)驗(yàn)重復(fù)20 次,待試樣徹底冷卻后觀察不同鋅合金鍍層是否出現(xiàn)鼓泡、開裂或與基體分離等現(xiàn)象,進(jìn)而評(píng)價(jià)不同鋅合金鍍層的結(jié)合強(qiáng)度。
1.3.3 耐腐蝕性能
利用Parstat 2273 型電化學(xué)工作站測(cè)試不同鋅合金鍍層在3.5%氯化鈉溶液中的電化學(xué)阻抗譜,飽和甘汞電極、鉑電極分別作為參比電極、輔助電極。將三電極體系浸泡在氯化鈉溶液中,獲得穩(wěn)定的開路電位后開始測(cè)試,掃描頻率范圍105~10-2Hz。將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入ZSimpWin 軟件中擬合分析,根據(jù)結(jié)果評(píng)價(jià)不同鋅合金鍍層的耐腐蝕性能。
1.3.4 硬度與韌性
參照GB/T 4340.1—2009,利用VMH-104 型顯微硬度計(jì)測(cè)定不同鋅合金鍍層的硬度,施加載荷為0.98 N,保持10 s 后卸載。在每個(gè)試樣上測(cè)5 個(gè)點(diǎn),顯微硬度取平均值。另外,在每個(gè)試樣上施加載荷4.9 N,通過觀察壓痕周圍區(qū)域形貌定性的分析不同鋅合金鍍層的韌性。
1.3.5 耐磨性能
利用MFT-R4000 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行無潤(rùn)滑摩擦實(shí)驗(yàn),摩擦副為直徑4 mm 的GCr15 鋼球與不同鋅合金鍍層試樣。施加載荷為3 N,頻率5 Hz,摩擦行程6 mm,持續(xù)時(shí)間7 min。利用掃描電鏡觀察不同鋅合金鍍層的磨痕形貌,并利用OLS4000 型激光顯微鏡測(cè)量不同鋅合金鍍層表面磨痕輪廓,導(dǎo)出測(cè)試數(shù)據(jù)利用Origin軟件計(jì)算得出磨損體積。
圖1 為銅基體和不同鋅合金鍍層的微觀形貌。從圖1 可知,Zn-Ni、Zn-Co、Zn-Ni-P 合和Zn-Ni-W 合金鍍層都完全覆蓋銅基體;Zn-Ni 與Zn-Ni-P 合金鍍層的形貌特征相似,晶粒都呈塊狀無序的堆積,但是Zn-Ni-P 合金鍍層的晶粒比Zn-Ni 合金鍍層的明顯細(xì)化,并且晶粒堆積更緊密。主要原因在于:一方面,鍍液中含有次亞磷酸鈉的情況下,電沉積過程中電荷傳遞步驟受阻,陰極極化程度增加,抑制了晶核過快形成與生長(zhǎng)[6],從而表現(xiàn)為晶粒細(xì)化,并且促使晶粒堆積更緊密。另一方面,電沉積過程中部分次亞磷酸根發(fā)生反應(yīng),還原成單質(zhì)磷[7],單質(zhì)磷不參與晶粒形成過程,而是分散在晶粒間隙,可以起到阻礙晶粒長(zhǎng)大的作用,也有利于晶粒細(xì)化。因此,Zn-Ni-P 合金鍍層的致密性好于Zn-Ni 合金鍍層。Zn-Co和Zn-Ni-W 合金鍍層的形貌特征明顯不同于Zn-Ni合金鍍層和Zn-Ni-P 合金鍍層,它們的晶粒形態(tài)發(fā)生變化。如圖1(c)所示,Zn-Co 合金鍍層的晶粒呈團(tuán)簇顆粒狀,尺寸不同但是堆積較緊密,致密性明顯好于Zn-Ni 合金鍍層。如圖1(e)所示,Zn-Ni-W 合金鍍層的晶粒呈花蕊狀,以纏繞形式緊密結(jié)合。雖然Zn-Ni-W 合金鍍層中存在一些孔隙,但是相比于Zn-Ni 合金鍍層中孔隙的尺寸變小且數(shù)量較少,其致密性同樣好于Zn-Ni 合金鍍層。Zn-Co 合金鍍層的電沉積過程屬于異常共沉積[8],由于Zn 與Co 原子半徑存在差異,在共沉積過程中Co 可能進(jìn)入Zn晶格間隙,引起晶格畸變,導(dǎo)致結(jié)晶位錯(cuò)塞積,逐步形成新形態(tài)晶粒。Zn-Ni-W 合金鍍層的電沉積過程屬于誘導(dǎo)共沉積,即W 依靠Ni 誘導(dǎo)實(shí)現(xiàn)共沉積[9]。由于W 與Ni 原子半徑存在差異,在共沉積過程中W 也可能進(jìn)入Ni 晶格間,隙引起晶格畸變,導(dǎo)致結(jié)晶位錯(cuò)塞積逐步形成新形態(tài)晶粒??赡苡捎赪 原子進(jìn)入Ni晶格中引起較大程度晶格畸變,導(dǎo)致結(jié)晶規(guī)律發(fā)生變化,因此Zn-Ni-W 合金鍍層的晶粒形態(tài)明顯不同于Zn-Ni合金鍍層。
圖1 銅基體和不同鋅合金鍍層的微觀形貌Fig.1 Microstructure of copper matrix and different zinc alloy coatings
圖2為不同鋅合金鍍層的XRD 譜圖。從圖2可知,Zn-Ni、Zn-Co、Zn-Ni-P和Zn-Ni-W合金鍍層均為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。Zn-Ni 合金鍍層主要為單質(zhì)Zn 和Ni5Zn21,Zn-Ni-P 合金鍍層和Zn-Ni-W 合金鍍層的物相與Zn-Ni 合金鍍層相同,均未出現(xiàn)與P 和W 相關(guān)的物相。由此推斷,電沉積Zn-Ni-P 合金鍍層過程中形成固溶體。原因是P 與Ni 的電負(fù)性差值較小(分別為2.1、1.8),電沉積過程中可能同時(shí)生成單質(zhì)Ni 與P,P 破壞Ni 晶體結(jié)構(gòu)并擾亂固有的原子排列[10],以置換形式進(jìn)入Ni 晶格中從而形成固溶體。電沉積Zn-Ni-W 合金鍍層過程中W 固溶于Ni 晶格中形成以Ni 為溶劑、W 為溶質(zhì)的固溶體。Zn-Co 合金鍍層的物相主要為單質(zhì)Zn 和CoZn13,不同于Zn-Ni合金鍍層的物相。
圖2 不同鋅合金鍍層的XRD譜圖Fig.2 XRD patterns of different zinc alloy coatings
圖3為不同鋅合金鍍層經(jīng)過20次熱震實(shí)驗(yàn)后的外觀。經(jīng)觀察和分析可知,在熱震實(shí)驗(yàn)過程中Zn-Ni合金鍍層、Zn-Co 合金鍍層、Zn-Ni-P 合金鍍層和Zn-Ni-W 合金鍍層均未出現(xiàn)鼓泡、開裂以及與基體分離等現(xiàn)象,這表明不同鋅合金鍍層與銅基體的結(jié)合強(qiáng)度高。
圖3 不同鋅合金鍍層經(jīng)過20次熱震實(shí)驗(yàn)后的外觀Fig.3 Appearance of different zinc alloy coatings after 20 thermal shock experiments
圖4 為銅基體和不同鋅合金鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%氯化鈉溶液中的電化學(xué)阻抗譜,相應(yīng)的腐蝕電化學(xué)參數(shù)如表2所示。研究表明,容抗弧半徑越大、電荷轉(zhuǎn)移電阻(Rct)和低頻阻抗模值(|Z|0.01Hz)越高,膜層的耐腐蝕性能越好[11-16]。結(jié)合圖3 和表2 可知,Zn-Ni合金鍍層、Zn-Co 合金鍍層、Zn-Ni-P 合金鍍層和Zn-Ni-W合金鍍層的容抗弧半徑與銅基體相比均增大,電荷轉(zhuǎn)移電阻和低頻阻抗模值有不同程度的升高,這表明不同鋅合金鍍層都能為銅基體起到腐蝕防護(hù)作用。
圖4 銅基體和不同鋅合金鍍層在質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3.5%氯化鈉溶液中的電化學(xué)阻抗譜Fig.4 Electrochemical impedance spectroscopy of copper matrix and different zinc alloy coatings in the solution with mass fraction of 3.5% sodium chloride
表2 銅基體和不同鋅合金鍍層的腐蝕電化學(xué)參數(shù)Tab.2 Corrosion electrochemical parameters of copper matrix and different zinc alloy coatings
Zn-Co 合金鍍層、Zn-Ni-P 合金鍍層和Zn-Ni-W合金鍍層的耐腐蝕性能均優(yōu)于Zn-Ni 合金鍍層,其中,Zn-Ni-P 合金鍍層具有最高的電荷轉(zhuǎn)移電阻4.04×103Ω·cm2和低頻阻抗模值1.10×104Ω·cm2,其耐腐蝕性能最好。雖然Zn-Co合金鍍層的晶粒呈團(tuán)簇顆粒狀,堆積較緊密,但是晶粒錯(cuò)位排布,在晶界處不可避免地形成縫隙,容易積聚腐蝕介質(zhì),轉(zhuǎn)變成快速腐蝕通道,導(dǎo)致Zn-Co 合金鍍層的耐腐蝕性能逐步下降。雖然Zn-Ni-W合金鍍層的晶粒以纏繞形式緊密結(jié)合,但是存在一些孔隙容易發(fā)生局部腐蝕,導(dǎo)致Zn-Ni-W合金鍍層的腐蝕傾向逐步增強(qiáng)。由于Zn-Ni-P 合金鍍層中孔隙少,阻擋腐蝕介質(zhì)能力強(qiáng),增大了腐蝕反應(yīng)阻力,因此Zn-Ni-P 合金鍍層的耐腐蝕性能好于Zn-Ni 合金鍍層、Zn-Co 合金鍍層和Zn-Ni-W合金鍍層。
圖5 為不同鋅合金鍍層的硬度。Zn-Ni 合金鍍層的硬度為312.4 HV,雖然相比于銅基體提高約200 HV,但是明顯低于Zn-Ni-P 合金鍍層和Zn-Ni-W 合金鍍層的硬度。Zn-Ni-P 合金鍍層的晶粒與Zn-Ni 合金鍍層相比明顯細(xì)化,并且晶粒堆積更緊密產(chǎn)生細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)。另外,由于原子半徑存在差異,在共沉積過程中P 進(jìn)入Ni 晶格中形成固溶體產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)[17]。因此,Zn-Ni-P合金鍍層的顯微硬度較高是細(xì)晶強(qiáng)化效應(yīng)與固溶強(qiáng)化效應(yīng)綜合作用的結(jié)果。Zn-Ni-W 合金鍍層的硬度最高,達(dá)到421.8 HV,一方面是由于Zn-Ni-W 合金鍍層的晶粒呈花蕊狀以纏繞形式緊密結(jié)合,產(chǎn)生纏繞增強(qiáng)效應(yīng),使其具備較強(qiáng)的抵抗外部載荷作用引起的局部塑性變形能力。另一方面,電沉積Zn-Ni-W 合金鍍層過程中形成固溶體引起較大程度晶格畸變,產(chǎn)生固溶強(qiáng)化效應(yīng)增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力,使局部塑性變形困難。因此,Zn-Ni-W 合金鍍層的顯微硬度高于Zn-Ni合金鍍層、Zn-Co合金鍍層和Zn-Ni-P合金鍍層。
圖5 不同鋅合金鍍層的硬度Fig.5 Hardness of different zinc alloy coatings
圖6 為不同鋅合金鍍層表面壓痕形貌。Zn-Ni合金鍍層、Zn-Co 合金鍍層、Zn-Ni-P 合金鍍層和Zn-Ni-W 合金鍍層表面壓痕均近似菱形,但是壓痕邊緣形貌有所不同。如圖6(a)所示,Zn-Ni 合金鍍層的壓痕邊緣不規(guī)則,并且沿著壓痕邊緣出現(xiàn)微裂紋。如圖6(b)所示,Zn-Co 合金鍍層的壓痕邊緣也出現(xiàn)裂紋。如圖6(c)和6(d)所示,Zn-Ni-P 合金鍍層和Zn-Ni-W合金鍍層的壓痕邊緣規(guī)則,無明顯裂紋。
圖6 不同鋅合金鍍層表面壓痕形貌Fig.6 Surface indentation morphology of different zinc alloy coatings
根據(jù)金屬材料學(xué)基礎(chǔ)理論,韌性表示金屬材料在外部載荷作用下引起的塑性變形過程中吸收能量的能力,一般情況下,金屬材料的韌性越好,在外部載荷作用下產(chǎn)生裂紋越困難[18-22]。經(jīng)對(duì)比和分析可知,Zn-Ni 合金鍍層的韌性差,這是由于Zn-Ni 合金鍍層的致密性較差,抵抗局部塑性變形能力弱。雖然Zn-Co 合金鍍層的致密性明顯好于Zn-Ni 合金鍍層,但是其韌性未明顯改善,可能是由于Zn-Co合金鍍層的晶粒錯(cuò)位排布導(dǎo)致晶界處存在縫隙。而Zn-Ni-P合金鍍層和Zn-Ni-W合金鍍層的韌性明顯好于Zn-Ni 合金鍍層,原因在于它們的致密性明顯較好,抵抗局部塑性變形能力增強(qiáng)。尤其是Zn-Ni-W合金鍍層的韌性最好,由于電沉積Zn-Ni-W 合金鍍層過程中發(fā)生較大程度晶格畸變產(chǎn)生纏繞增強(qiáng)效應(yīng)和固溶強(qiáng)化效應(yīng),增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力,使Zn-Ni-W合金鍍層具備更強(qiáng)的抵抗局部塑性變形能力,因此表現(xiàn)出良好的韌性。
圖7 為銅基體和不同鋅合金鍍層的磨損體積。Zn-Ni合金鍍層的磨損體積為1.35×10-3mm3,與銅基體相比大幅度降低。Zn-Ni-P 合金鍍層和Zn-Ni-W合金鍍層的磨損體積明顯低于Zn-Ni 合金鍍層,它們的耐磨性能好于Zn-Ni合金鍍層。其中,Zn-Ni-W合金鍍層的磨損體積最低,僅為4.74×10-4mm3。這是由于電沉積Zn-Ni-W合金鍍層過程中產(chǎn)生纏繞強(qiáng)化效應(yīng)與固溶強(qiáng)化效應(yīng),使Zn-Ni-W 合金鍍層具有高硬度,在外部載荷作用下發(fā)生位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增大,阻礙局部塑性變形能力較強(qiáng),因此其磨損程度輕,表現(xiàn)出良好的耐磨性能。
圖7 銅基體和不同鋅合金鍍層的磨損體積Fig.7 Wear volume of copper matrix and different zinc alloy coatings
圖8 為銅基體和不同鋅合金鍍層的磨痕形貌。如圖8(a)所示,銅基體表面分布著許多不同形態(tài)的磨屑,還存在裂紋和深淺不一的坑洞,是由于不同形態(tài)的磨屑脫落形成。如圖8(b)、8(c)、8(d)和8(e)所示,Zn-Ni 合金鍍層、Zn-Co 合金鍍層、Zn-Ni-P 合金鍍層和Zn-Ni-W合金鍍層表面也分布著不同形態(tài)的磨屑,但是磨屑脫落和裂紋程度較輕,這表明不同鋅合金鍍層的磨損程度與銅基體相比減輕。由于Zn-Ni 合金鍍層的致密性較差,在對(duì)磨鋼球的擠壓和往復(fù)剪切作用下容易發(fā)生較大程度局部塑性變形,導(dǎo)致Zn-Ni合金鍍層表面形成的坑洞較多且深,其磨損程度較嚴(yán)重。Zn-Ni-P 合金鍍層的致密性明顯好于Zn-Ni 合金鍍層,硬度較高使其具備較強(qiáng)的抵抗對(duì)磨鋼球擠壓和往復(fù)剪切能力,在摩擦過程中發(fā)生局部塑性變形的難度增加,因此磨損程度減輕。Zn-Ni-W 合金鍍層的晶粒呈花蕊狀以纏繞形式緊密結(jié)合,產(chǎn)生纏繞增強(qiáng)效應(yīng)使其具有高硬度,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力增大,因此在對(duì)磨鋼球擠壓和往復(fù)剪切作用下發(fā)生局部塑性變形困難,從而表現(xiàn)為磨損程度輕。如圖8(e)所示,Zn-Ni-W 合金鍍層表面磨痕淺,在磨痕內(nèi)分布著的磨屑以及由于磨屑脫落形成的坑洞少,其磨損程度最輕,耐磨性能好于Zn-Ni合金鍍層、Zn-Co合金鍍層和Zn-Ni-P合金鍍層。
圖8 銅基體和不同鋅合金鍍層的磨痕形貌Fig.8 Wear morphology of copper matrix and different zinc alloy coatings
(1)Zn-Ni 合金鍍層、Zn-Co 合金鍍層、Zn-Ni-P合金鍍層和Zn-Ni-W 合金鍍層完全覆蓋銅基體,并且結(jié)合強(qiáng)度高。Zn-Ni-P 合金鍍層的形貌特征與Zn-Ni 合金鍍層相似,但是晶粒明顯細(xì)化并且堆積更緊密,致密性較好使Zn-Ni-P 合金鍍層的耐腐蝕性能好于Zn-Ni 合金鍍層。Zn-Co 合金鍍層和Zn-Ni-W 合金鍍層的晶粒形態(tài)明顯不同于Zn-Ni 合金鍍層,是由于共沉積過程中形成固溶體引起晶格畸變,進(jìn)而使致密性得到改善,表現(xiàn)為耐腐蝕性能提高。Zn-Ni-P 合金鍍層具有最高的電荷轉(zhuǎn)移電阻4.04×103Ω·cm2和低頻阻抗模值1.10×104Ω·cm2,其耐腐蝕性能最好。
(2)電沉積Zn-Ni-W 合金鍍層過程中產(chǎn)生纏繞強(qiáng)化效應(yīng)與固溶強(qiáng)化效應(yīng),使Zn-Ni-W 合金鍍層具有高硬度(421.8 HV),較Zn-Ni 合金鍍層、Zn-Co 合金鍍層和Zn-Ni-P 合金鍍層分別提高約109 HV、41 HV、48 HV。Zn-Ni-W 合金鍍層還表現(xiàn)出良好的韌性與耐磨性能,磨損體積僅為4.74×10-4mm3,較Zn-Ni 合金鍍層、Zn-Co 合金鍍層和Zn-Ni-P 合金鍍層分別降低約65%、40%、42%。