脈沖頻率對15-5PH不銹鋼電鍍鉻層微觀結構的影響

發布日期：2012-04-18 瀏覽次數：1357

徐娟,魏曉偉,鄧麗虹,李銅

(西華大學材料科學與工程學院,四川成都610039)

摘要：采用自制的脈沖電鍍裝置對15-5PH不銹鋼電鍍鉻層進行研究。結果表明，在標準鍍鉻液中，鍍液溫度為55℃，平均電流密度70 A/dm2，在占空比30%的條件下，隨頻率升高，鍍鉻層致密度增大，產生微裂紋的傾向性減小，表面粗糙度降低。但當頻率大于3.0 Hz時，鍍層致密度降低，產生裂紋的傾向性增大，表面粗糙度升高。

關鍵詞：15-5PH不銹鋼；脈沖電鍍鉻；微觀結構

中圖分類號：TG174.44文獻標識碼：A文章編號：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格而廣泛應用于汽車制造業、航天事業、機械零件以及塑料模具的表面涂層[1-2]。然而，鉻鍍層在電鍍過程中會產生大量的孔隙和裂紋，導致鍍層的致密性和抗腐蝕性能下降[3]。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，對電沉積過程能夠產生一定影響，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點。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、幾乎無應力、致密和鍍層質量高于直流電鍍鍍層的優點[4-7]。

鍍液成分、溫度、pH值及電流密度對不銹鋼脈沖電鍍鉻鍍層的組織和力學性能的影響已有大量報道，而脈沖頻率對不銹鋼鍍鉻層的研究鮮有系統的研究報道。因此，本研究通過采用自制的脈沖電鍍設備在15-5PH不銹鋼上制備了電鍍鉻鍍層，并對其微觀結構進行分析探討，以期掌握脈沖頻率對不銹鋼鍍鉻的規律性。

1·實驗方法

1.1實驗材料

實驗以100mm×25mm×2mm的15-5PH不銹鋼試樣(由工廠提供)為底材，鍍液采用標準鍍液[8]，其成分為：鉻酣(Cr2O3)250g/L，硫酸(H2SO4)2.5g/L，余量為去離子水。

1.2實驗參數

脈沖電鍍與直流電鍍不同，后者只有一個獨立的變量，即電流密度；而脈沖電鍍的獨立變量有3個，即脈沖頻率、占空比和電流密度。本實驗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)，研究脈沖頻率對鍍鉻層微觀結構的影響[9]。

1.3實驗過程

脈沖電鍍前先對陽極鉛板進行機械拋光，除去表面毛刺和雜質，陰極不銹鋼試樣先進行邊角處倒角，以免電流集中發生過燒現象，再進行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，采用自制的WDM20-600型多功能數控脈沖直流電鍍設備，脈沖電流密度70A/dm2，占空比30%，鍍液溫度(55±1)℃，試樣受鍍時間2 h。

1.4鍍層性能測試

采用日本奧林巴斯公司生產的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。

采用貼濾紙法測試各種頻率下所獲鍍層的孔隙率。具體檢驗方法是：鍍鉻后用蒸餾水將鍍層表面洗凈、吹干，再把浸透檢驗溶液的濾紙在室溫下貼在鍍層表面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色斑點數(孔隙斑痕數)。計算孔隙率時，數出單位方格內包含的藍色斑點數，按以下公式(式1)計算孔隙率，實驗以三次測試的算術平均值作為最終結果�？紫堵�(個/cm2)=n/s(1)

式中：n為孔隙斑點總數(個)；s為受檢試樣面積(cm2)。

采用AON-STUDIO金相檢驗分析軟件對各頻率下的鍍層致密度進行檢驗分析。通過面積法，對鍍層的晶粒尺寸進行測試，對鍍層晶粒度評級。

2·結果與討論

2.1頻率對表面粗糙度的影響

圖1(a)～(f)為占空比30%、脈沖電流密度70 A/dm2、鍍液溫度55℃，不同脈沖頻率下得到的鍍鉻層微觀形貌�？梢�，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。當頻率為3.0Hz時，鍍層表面幾乎無鉻瘤，晶粒界限最明顯；當頻率大于3.0Hz時，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，當電流導通時，陰極表面附近液體中的金屬離子被快速沉積；電流關斷時，本體電解液中的被鍍金屬離子向近陰極區擴散，使陰極表面附近液體中的金屬離子的濃度得到恢復。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個獨立參數均可調，由脈沖計算公式轉換，將導通時間用占空比和頻率來表示時，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，即為脈沖導通時間與脈沖周期之比。由式(2)中的參數可知，脈沖電鍍過程中，當在占空比一定的情況下，提高脈沖頻率可使導通時間縮短，相應的脈沖周期也會縮短。由電化學理論可知[10]，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小且致密的沉積層。但當頻率過高時，在下一個導通時間到來時，陰極附近的金屬離子濃度未能在關斷時間內恢復，隨電鍍還原反應的持續進行，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濃差極化，并不斷加大，導致金屬離子向陰極表面移動不充分，促使陰極表面的晶體生長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，嚴重影響沉積層的質量。

2.2頻率對裂紋產生傾向性影響

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，鍍層表面幾乎無裂紋；當頻率大于4.0Hz時，鍍層裂紋生長的傾向性又開始增大，這是因為，鍍鉻時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，分解時產生立方體的鉻，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應力，當鍍鉻層達到一定的厚度時，便形成了裂紋。通常隨著鍍鉻層厚度的增加，內應力增大，裂紋的數量增多。

Yong研究脈沖鍍鉻層形成時[11]，研究了不同脈沖頻率條件下鍍鉻層的表面裂紋的產生主要受脈沖導通時間的影響。所以，在本次研究中，隨脈沖頻率的增高，同一脈沖周期內，脈沖導通時間縮短。導通時間內，氫離子優先放電，鍍層表面的裂紋和晶粒一同生長，關斷電源，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力，頻率越高，鍍層的殘余應力降低的越多，越有利于減少裂紋的產生。所以，恰當的脈沖導通時間使鍍鉻層的殘余應力最小，鍍層的裂紋最少。

2.3頻率對孔隙率的影響

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結果�？芍�，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。這主要是因為隨脈沖頻率的增高，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。為進一步觀察脈沖頻率對鍍鉻層孔隙率的影響，實驗中對不同頻率下的鍍鉻層根據GB6394-2002，采用面積法進行平均晶粒度的評定，評定結果如圖2所示�？梢�，在脈沖頻率開始增加時，晶粒的平均直徑減小，晶粒級數上升，粒度變小，晶粒細化；當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，晶粒級數下降。頻率為3.0Hz時，鍍層上的鉻晶粒尺寸最小，晶粒級數最大(平均直徑為7.07μm，晶粒級數為11.0級)；頻率大于3.0Hz時，晶粒尺寸雖較1.0和2.0 Hz有所下降(平均直徑分別為14.68μm，11.47μm)，但晶粒級數(均為10.0級)仍在下降且趨于一致。對脈沖電源來講，脈沖頻率越高，對電源本身的損耗也將增大。