B4C微粒尺寸對鍍鐵層性能的影響

王金亮, 遲長志, 高洪生, 王寶祥

（遼寧工程技術大學材料科學與工程學院,遼寧阜新 123000）

B4C微粒尺寸對鍍鐵層性能的影響

王金亮, 遲長志, 高洪生, 王寶祥

（遼寧工程技術大學材料科學與工程學院,遼寧阜新 123000）

通過電沉積工藝研究了在鍍液中添加不同尺寸的B4C微粒后所得鍍鐵層的表面形貌、顯微硬度、磨損量和腐蝕速率。結果表明:當B4C微粒尺寸為20μm時,鍍層可獲得最佳的綜合性能;B4C微粒過小,鍍層磨損量大;過大,微粒處產生裂紋源,耐蝕性差。

鍍鐵;復合鍍層;B4C微粒;顯微硬度;耐蝕性

0 前言

鍍鐵具有鍍速快、鍍層硬度高、耐磨性好、成本低、產生的廢液對環境的污染較小等優點,在機械零部件的修復方面有著廣泛應用[1]。鍍鐵技術中一個主要的研究方向是進一步強化鍍層。硬質微粒B4C具有密度低、彈性模量高、耐磨及耐蝕等優點,是比較理想的增強材料。

本實驗研究了添加不同尺寸的B4C微粒后所得鍍層的表面形貌、顯微硬度及腐蝕速率,找出最佳的微粒尺寸,并探討其對鍍鐵層各項性能指標的影響規律。

1 實驗

1.1 實驗材料

采用不對稱交-直流鍍鐵電源,雙陽極單陰極電極,并輔以機械攪拌機。試樣為普通Q 235鋼。鍍件與陽極均為長35 mm,寬20 mm,厚2 mm的長方體試樣。

1.2 工藝流程

1.3 鍍鐵工藝參數

FeCl2·4H2O 400 g/L,B4C 20 g/L,p H 值1.0,45℃,2 h。鍍液中加入的B4C微粒的直徑分別為10μm,20μm,30μm和40μm。

1.4 性能檢測

將施鍍后的試樣浸泡在質量分數為10%的HCl溶液中,時間為2 h,在規定時間下測定鍍層的腐蝕失重,將腐蝕失重折算為單位時間內的腐蝕量來表達耐蝕性能指標。用S7X-550型電子掃描顯微鏡觀察鍍鐵試樣的表面形貌,放大倍數為700倍。用71型顯微硬度計測量鍍層的硬度,加載重量為100 g。用ML-100型磨料磨損試驗機對鍍層進行磨損實驗,加壓載荷為30 N,磨損時間為3 min,磨盤上的砂紙為240#水磨砂紙。

2 結果與討論

2.1 B4C微粒尺寸對復合鍍層表面形貌的影響

圖1為B4C微粒尺寸對復合鍍層表面形貌的影響。由圖1可知:加入B4C微粒可以明顯減少鍍鐵層裂紋的數量,但隨著B4C微粒直徑的增加,周圍裂紋密度逐漸增加,當B4C微粒的直徑增加到40 μm時,可以清楚地看見微粒周圍布滿裂紋。

圖1 不同微粒直徑下所得鍍層的表面形貌

在鍍鐵層中存在大量的位錯[2],位錯缺陷成為鍍鐵層中潛在的裂紋源。在內應力的作用下,這些微觀缺陷的前沿形成復雜的三向應力區,誘使溶入鍍鐵層中的氫原子向該處擴散聚集。當氫原子擴散到位錯缺陷的空隙處時,氫原子結合成氫分子,造成該處空間體積膨脹,形成更大的應力。這種應力達到一定數值時,促使缺陷擴展產生裂紋 。當復合鍍層中存在B4C微粒時,一旦鍍鐵層內的裂紋擴展接觸到B4C微粒時,B4C微粒將阻止裂紋繼續延伸[4],從而中止了裂紋。另外,在 Fe-B4C共沉積過程中,B4C微粒是鑲嵌在復合鍍層中的,鍍鐵層中溶入的氫原子也可以在 Fe和B4C之間的界面釋放,這樣就減少了鍍鐵層中的擴散氫,抑制了裂紋的產生[3]。但當B4C微粒尺寸過大時,其周圍的鐵沉積不均勻,造成應力集中,超過鍍鐵層強度,產生大量的裂紋,此時微粒就成為新的裂紋源。

2.2 B4C微粒尺寸對鍍層顯微硬度的影響

圖2 B4C微粒直徑與顯微硬度的關系

圖2為B4C微粒尺寸對所得鍍層顯微硬度的影響。由圖2可知:當微粒直徑為10μm時所得的復合鍍層的顯微硬度最高;當微粒直徑為40μm時,所得鍍層的顯微硬度最低;當微粒直徑為10～20μm時,鍍層顯微硬度下降較緩。這是因為微粒在不同直徑下,細晶強化和位錯強化有不同的作用效果[4]。位錯強化隨著微粒直徑增加,引起的鍍層晶格畸變會加重,位錯密度加大,故晶格畸變和位錯強化作用不斷提高。對于細晶強化,當微粒直徑增大時,其數目變少,成核率降低,使細晶強化作用減弱[5]。在這兩種強化效果的共同作用下,使B4C微粒直徑在10μm時所得鍍層顯微硬度最大,而到20 μm時顯微硬度下降緩慢。

2.3 B4C微粒尺寸對鍍層耐蝕性的影響

圖3為B4C微粒尺寸對鍍層腐蝕速率的影響規律。由圖3可知:當B4C微粒直徑為10μm時,所得鍍層的耐蝕性能強;當其直徑為40μm時,所得鍍層的耐蝕性較差。其原因可歸結為針孔的影響[6],當B4C微粒直徑過大時,會造成部分基體沒有鐵的沉積,使截面產生不規則的針孔。所以B4C微粒直徑為40μm時,所得鍍層的耐蝕性較差。

圖3 B4C微粒直徑與腐蝕速率的關系

2.4 B4C微粒尺寸對鍍層磨損量的影響

圖4 不同B4C微粒直徑與磨損量的關系

圖4為B4C微粒尺寸對鍍層磨損量的影響。由圖4可知:隨著B4C微粒直徑的增大,復合鍍層的耐磨性提高。在電沉積過程中,鑲嵌在α-Fe基體上的硬質B4C微粒起到支撐的作用,使較軟的鐵基體不受磨損,從而降低了復合鍍層的磨損量。在B4C微粒的質量濃度相同的鍍液中,直徑較小的B4C微粒容易發生早期脫落,一方面導致材料的流失量增大,另外脫落的微粒轉化為硬質磨料對材料產生附加磨損,使鍍層耐磨性下降[7]。隨著B4C微粒直徑的增大,使其與砂紙接觸的有效面積增加,減小了鐵基體的磨損,從而減小了整個復合鍍層的磨損量。

3 結論

綜上所述,B4C微粒的直徑為10μm時獲得的鍍層,其硬度和耐蝕性較好,但耐磨性較差;當其直徑為40μm時,所得復合鍍層的耐磨性增大,但有針孔出現,耐蝕性差。綜合比較,B4C微粒直徑為20μm時,所得復合鍍層的綜合性能最佳。

[1] 沈寧一.表面處理工藝手冊[M].上海:上?？茖W技術出版社,1991:135-138.

[2] 康煜平,陳立佳,趙忠檢.無刻蝕直流鍍鐵層的組織結構與性能[J].金屬熱處理學報,1999,20（3）:47-59.

[3] 田華,趙程,付平,等,SiC微粒對鍍鐵層表面形貌和結構的影響[J].電鍍與精飾,2006,28（4）:13-16.

[4] 付平,田華,許雪,等.無刻蝕鍍鐵的工藝研究[J].青島科技大學學報,2006,27（1）:50-53.

[5] 崔忠圻,覃耀春.金屬學與熱處理[M].北京:機械工業出版社,2001.

[6] 劉憶,楊森,殷錦捷,等,低溫鍍鐵時電流密度對鍍層性能的影響[J].電鍍與涂飾,2008,27（2）:9-10.

[7] 遲長志,趙樹國.電沉積SiC顆粒增強抗磨復合材料[J].遼寧工程技術大學學報:自然科學版,1998,17（2）:169-172.

Effects of B4C Particles Size on the Performance of Iron Coating

WANGJin-liang, CHI Chang-zhi, GAO Hong-sheng, WANG Bao-xiang
（Liaoning Technical University,School of Material Science and Engineering,Fuxing 123000,China）

The surface morphology,micro-hardness,wear loss and corrosion rate of iron coating were investigated by adding B4C particles of different sizes in electrodepositing process.The results show that when B4C particle size is 20μm,the coating can obtain best comprehensive performance;if B4C particles are too small,coating wear loss will be large;and if B4C particles are too big,crack source will form at micro-particles,resulting in poor corrosion resistance.

iron plating;composite coating;B4C particles;micro-hardness;corrosion resistance

TQ 153

A

1000-4742（2011）04-0017-03

2010-10-18