??
摘要：采用自制的脈沖電鍍裝置對(duì)15-5PH不銹鋼電鍍鉻層進(jìn)行研究。結(jié)果表明，在標(biāo)準(zhǔn)鍍鉻液中，鍍液溫度為55℃，平均電流密度70A/dm2，在占空比30%的條件下，隨頻率升高，鍍鉻層致密度增大，產(chǎn)生微裂紋的傾向性減小，表面粗糙度降低。但當(dāng)頻率大于3.0Hz時(shí)，鍍層致密度降低，產(chǎn)生裂紋的傾向性增大，表面粗糙度升高。
關(guān)鍵詞：15-5PH不銹鋼;脈沖電鍍鉻;微觀結(jié)構(gòu)
中圖分類號(hào)：TG174.44 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1001-3814(2011)06-0118-03
鉻鍍層以其較高的硬度、良好的耐蝕性和裝飾性以及低廉的價(jià)格而廣泛應(yīng)用于汽車制造業(yè)、航天事業(yè)、機(jī)械零件以及塑料模具的表面涂層。然而，鉻鍍層在電鍍過程中會(huì)產(chǎn)生大量的孔隙和裂紋，導(dǎo)致鍍層的致密性和抗腐蝕性能下降。脈沖電鍍作為槽外控制鍍層性能的一種手段，通過控制波形、頻率、占空比等電流參數(shù)，對(duì)電沉積過程能夠產(chǎn)生一定影響，可在一定程度上改變鍍層性能，具有直流電鍍所不具備的優(yōu)點(diǎn)。近年來，隨著脈沖電鍍的研究，在貴金屬高頻脈沖電鍍方面取得了不少有價(jià)值的成果。研究表明，它具有鍍液可不用添加劑，脈沖鍍層均勻、幾乎無應(yīng)力、致密和鍍層質(zhì)量高于直流電鍍鍍層的優(yōu)點(diǎn)。
鍍液成分、溫度、pH值及電流密度對(duì)不銹鋼脈沖電鍍鉻鍍層的組織和力學(xué)性能的影響已有大量報(bào)道，而脈沖頻率對(duì)不銹鋼鍍鉻層的研究鮮有系統(tǒng)的研究報(bào)道。因此，本研究通過采用自制的脈沖電鍍?cè)O(shè)備在15-5PH不銹鋼上制備了電鍍鉻鍍層，并對(duì)其微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析探討，以期掌握脈沖頻率對(duì)不銹鋼鍍鉻的規(guī)律性。
1·實(shí)驗(yàn)方法
1.1 實(shí)驗(yàn)材料
實(shí)驗(yàn)以100mm×25mm×2mm的15-5PH不銹鋼試樣(由工廠提供)為底材，鍍液采用標(biāo)準(zhǔn)鍍液，其成分為：鉻酣(Cr2O3)250g/L，硫酸(H2SO4)2.5g/L，余量為去離子水。
1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)
脈沖電鍍與直流電鍍不同，后者只有一個(gè)獨(dú)立的變量，即電流密度;而脈沖電鍍的獨(dú)立變量有3個(gè)，即脈沖頻率、占空比和電流密度。本實(shí)驗(yàn)采用單向脈沖矩形波形脈沖電流，在固定電流密度、占空比(30%)的條件下(見表1)，研究脈沖頻率對(duì)鍍鉻層微觀結(jié)構(gòu)的影響。
1.3 實(shí)驗(yàn)過程
脈沖電鍍前先對(duì)陽極鉛板進(jìn)行機(jī)械拋光，除去表面毛刺和雜質(zhì)，陰極不銹鋼試樣先進(jìn)行邊角處倒角，以免電流集中發(fā)生過燒現(xiàn)象，再進(jìn)行0#～4#金相砂紙打磨→水洗→酸洗→水洗→5#金相砂紙打磨→水洗→裝夾→丙酮清洗→蒸餾水清洗，再電鍍。電鍍時(shí)，采用自制的WDM20-600型多功能數(shù)控脈沖直流電鍍?cè)O(shè)備，脈沖電流密度70A/dm2，占空比30%，鍍液溫度(55±1)℃，試樣受鍍時(shí)間2h。
1.4 鍍層性能測(cè)試
采用日本奧林巴斯公司生產(chǎn)的PME-OlympusTOKYO金相顯微鏡觀察不同脈沖頻率條件下獲得的鍍層的微觀形貌。
采用貼濾紙法測(cè)試各種頻率下所獲鍍層的孔隙率。具體檢驗(yàn)方法是：鍍鉻后用蒸餾水將鍍層表面洗凈、吹干，再把浸透檢驗(yàn)溶液的濾紙?jiān)谑覝叵沦N在鍍層表面10min(濾紙底下不得殘留空氣泡)，取下濾紙，用蒸餾水把其上的溶液沖洗干凈，放在劃有厘米方格的玻璃板上，吹干，然后檢查單位面積濾紙上的藍(lán)色斑點(diǎn)數(shù)(孔隙斑痕數(shù))。計(jì)算孔隙率時(shí)，數(shù)出單位方格內(nèi)包含的藍(lán)色斑點(diǎn)數(shù)，按以下公式(式1)計(jì)算孔隙率，實(shí)驗(yàn)以三次測(cè)試的算術(shù)平均值作為最終結(jié)果。孔隙率(個(gè)/cm2)=n/s(1)
式中：n為孔隙斑點(diǎn)總數(shù)(個(gè));s為受檢試樣面積(cm2)。
采用AON-STUDIO金相檢驗(yàn)分析軟件對(duì)各頻率下的鍍層致密度進(jìn)行檢驗(yàn)分析。通過面積法，對(duì)鍍層的晶粒尺寸進(jìn)行測(cè)試，對(duì)鍍層晶粒度評(píng)級(jí)。
2·結(jié)果與討論
2.1 頻率對(duì)表面粗糙度的影響
圖1(a)～(f)為占空比30%、脈沖電流密度70A/dm2、鍍液溫度55℃，不同脈沖頻率下得到的鍍鉻層微觀形貌。可見，隨脈沖頻率的增加，鍍鉻層的晶粒界限逐漸變得清晰，鍍鉻層表面的鉻瘤逐漸減小，消失，鍍層表面平整度增加，粗糙度減小。當(dāng)頻率為3.0Hz時(shí)，鍍層表面幾乎無鉻瘤，晶粒界限最明顯;當(dāng)頻率大于3.0Hz時(shí)，鍍層表面有鉻瘤生成，晶粒界限逐漸模糊，鍍層粗糙度明顯增大。
采用脈沖電鍍，當(dāng)電流導(dǎo)通時(shí)，陰極表面附近液體中的金屬離子被快速沉積;電流關(guān)斷時(shí)，本體電解液中的被鍍金屬離子向近陰極區(qū)擴(kuò)散，使陰極表面附近液體中的金屬離子的濃度得到恢復(fù)。因此脈沖電鍍具有較好的平整鍍層的能力，易得到光滑明亮的鍍層。眾所周知，脈沖電鍍的3個(gè)獨(dú)立參數(shù)均可調(diào)，由脈沖計(jì)算公式轉(zhuǎn)換，將導(dǎo)通時(shí)間用占空比和頻率來表示時(shí)，可得到：
式中：θ為脈沖周期，θ=Ton+Toff;f為脈沖頻率，f=1/θ;ν為占空比，即為脈沖導(dǎo)通時(shí)間與脈沖周期之比。由式(2)中的參數(shù)可知，脈沖電鍍過程中，當(dāng)在占空比一定的情況下，提高脈沖頻率可使導(dǎo)通時(shí)間縮短，相應(yīng)的脈沖周期也會(huì)縮短。由電化學(xué)理論可知，隨脈沖頻率的增大，在電沉積過程中，可減小形核半徑和形核過程所消耗的能量，增大形核幾率有助于形成晶粒細(xì)小且致密的沉積層。但當(dāng)頻率過高時(shí)，在下一個(gè)導(dǎo)通時(shí)間到來時(shí)，陰極附近的金屬離子濃度未能在關(guān)斷時(shí)間內(nèi)恢復(fù)，隨電鍍還原反應(yīng)的持續(xù)進(jìn)行，陰極附近的金屬離子逐漸消耗，該處的金屬離子濃度與鍍液中的金屬離子濃度出現(xiàn)濃差極化，并不斷加大，導(dǎo)致金屬離子向陰極表面移動(dòng)不充分，促使陰極表面的晶體生長(zhǎng)速度大于其形成速度，成核率減小，致使鍍層晶粒粗大，沉積層表面粗糙，嚴(yán)重影響沉積層的質(zhì)量。
2.2 頻率對(duì)裂紋產(chǎn)生傾向性影響
從圖1的顯微圖片可看出，頻率為1.0和2.0Hz的鍍鉻層表面有一定的微裂紋;頻率為3.0Hz時(shí)，鍍層表面幾乎無裂紋;當(dāng)頻率大于4.0Hz時(shí)，鍍層裂紋生長(zhǎng)的傾向性又開始增大，這是因?yàn)椋冦t時(shí)吸氫和晶格變化所致。在電鍍鉻初期，在陰極處形成了鉻的氫化物，氫化鉻具有六方晶格組織，分解時(shí)產(chǎn)生立方體的鉻，其體積要比氫化鉻小，而基體一般為不銹鋼剛體，阻止了其體積變小，所以在鍍鉻層中形成很高的內(nèi)應(yīng)力，當(dāng)鍍鉻層達(dá)到一定的厚度時(shí)，便形成了裂紋。通常隨著鍍鉻層厚度的增加，內(nèi)應(yīng)力增大，裂紋的數(shù)量增多。
Yong研究脈沖鍍鉻層形成時(shí)，研究了不同脈沖頻率條件下鍍鉻層的表面裂紋的產(chǎn)生主要受脈沖導(dǎo)通時(shí)間的影響。所以，在本次研究中，隨脈沖頻率的增高，同一脈沖周期內(nèi)，脈沖導(dǎo)通時(shí)間縮短。導(dǎo)通時(shí)間內(nèi)，氫離子優(yōu)先放電，鍍層表面的裂紋和晶粒一同生長(zhǎng)，關(guān)斷電源，氫的析出大為減緩，形成的氫化鉻部分溶解，所形成的晶粒和裂紋有所溶蝕，從而降低了在鍍鉻層表面所形成的殘余應(yīng)力，頻率越高，鍍層的殘余應(yīng)力降低的越多，越有利于減少裂紋的產(chǎn)生。所以，恰當(dāng)?shù)拿}沖導(dǎo)通時(shí)間使鍍鉻層的殘余應(yīng)力最小，鍍層的裂紋最少。
2.3 頻率對(duì)孔隙率的影響
鍍層孔隙率是反映鍍層表面致密程度的一種性能，鍍層孔隙的多少直接影響鍍層在各種腐蝕環(huán)境中的耐蝕性能，表2為不同頻率下各試樣鍍層空隙率的檢測(cè)結(jié)果。可知，脈沖鍍鉻層的空隙率普遍較低，且隨脈沖頻率的增高，空隙率減小至沒有。這主要是因?yàn)殡S脈沖頻率的增高，鍍鉻層的晶粒度越小，鍍層越致密，最終使鍍層的孔隙率降低。為進(jìn)一步觀察脈沖頻率對(duì)鍍鉻層孔隙率的影響，實(shí)驗(yàn)中對(duì)不同頻率下的鍍鉻層根據(jù)GB6394-2002，采用面積法進(jìn)行平均晶粒度的評(píng)定，評(píng)定結(jié)果如圖2所示。可見，在脈沖頻率開始增加時(shí)，晶粒的平均直徑減小，晶粒級(jí)數(shù)上升，粒度變小，晶粒細(xì)化;當(dāng)脈沖頻率增加到一定值后，晶粒直徑開始增大，晶簇尺寸逐漸變大，晶粒級(jí)數(shù)下降。頻率為3.0Hz時(shí)，鍍層上的鉻晶粒尺寸最小，晶粒級(jí)數(shù)最大(平均直徑為7.07μm，晶粒級(jí)數(shù)為11.0級(jí));頻率大于3.0Hz時(shí)，晶粒尺寸雖較1.0和2.0Hz有所下降(平均直徑分別為14.68μm，11.47μm)，但晶粒級(jí)數(shù)(均為10.0級(jí))仍在下降且趨于一致。對(duì)脈沖電源來講，脈沖頻率越高，對(duì)電源本身的損耗也將增大。
3·結(jié)論
(1)在本實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)，用脈沖頻率3.0Hz、電流密度70A/dm2、鍍液溫度55℃的電鍍工藝參數(shù)可得到晶粒細(xì)小，組織致密，表面粗糙度低和無裂紋的鍍鉻層。
(2)脈沖頻率極大地影響鍍鉻層的微觀表面形貌，適當(dāng)?shù)靥岣呙}沖頻率可細(xì)化鍍鉻層晶粒，減小鍍層表面粗糙度，增加沉積層的致密度，減少微裂紋的形成。頻率高于或低于3.0Hz時(shí)，所獲鍍鉻層的微觀形貌質(zhì)量都較3.0Hz的有所降低。
