高頻脈沖電源參數對Fe-ZrO2復合電沉積鍍層納米含量的影響

閆 帥，王元剛，寧 智，趙子云，吳蒙華*

（大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116622）

高頻脈沖電源參數對Fe-ZrO2復合電沉積鍍層納米含量的影響

閆 帥，王元剛，寧 智，趙子云，吳蒙華*

（大連大學 機械工程學院，遼寧 大連 116622）

為改善低溫鍍鐵工藝鍍層的耐磨損耐腐蝕性能，提高鍍層表面硬度，以GKDM系列高頻脈沖電鍍電源為實驗復合電沉積工藝電源并配合超聲-機械攪拌制備納米Fe-ZrO2鍍層。研究了高頻脈沖電源參數：峰值電流導通（TON）、關閉（TOFF）時間；一組正脈沖（TF）負脈沖（TR）的工作時間對鍍層表面納米含量的影響。結果表明當GKDM系列高頻脈沖電源TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時，納米沉積分布均勻致密，質量分數高。

低溫鍍鐵；GKDM系列高頻脈沖電源；復合電沉積；峰值電流；正脈沖；負脈沖

0 前言

常用低溫氯化物鍍鐵按照電流的波形可以分為直流鍍鐵和不對稱交流—直流電鍍鐵[1]。在實驗中采用GKDM系列高頻脈沖電流，反向脈沖電流明顯改善了鍍層的厚度分布以利于納米均勻沉積[2]，并溶解了陰極鍍層上的毛刺而整平；反向脈沖電流溶解了陰極上多余的鍍層，從而使陰極表面附近金屬離子濃度和納米粒子濃度迅速得到回升，這利于隨后的正向脈沖進行電沉積；使用高的脈沖電流密度使晶核的形成速度得以加快，故可以得到結晶更加細致，光亮的鍍層[3]；反向脈沖電流可以除去電鍍過程中沉積的氫，鍍層中的氫含量大大減少，故可以有效地消除或減少內應力；反向脈沖電流使擴散層的實際厚度減薄，陰極電流效率提高，納米沉積速度加快[4]。雙脈沖電鍍可使鍍層更加均勻、致密、光亮、孔隙率低、純度密度更高，耐溫、耐磨、防腐、韌性、導電率等性能指標進一步提高，并可大幅度節約稀貴金屬（約20%～30%），節約添加劑約 50%～80%。綜上所述，GKDM 系列高頻脈沖電源比以往交直流鍍鐵工藝相比，納米沉積速度快，含量高，分布均勻，可達到提高產品質量、增產節約的效果[5]。

1 試驗

1.1 試驗材料

實驗采用Q235鋼板作為陰極材料，低碳鋼作為陽極材料，試樣規格為35 mm×20 mm×2 mm。

1.2 鍍層的制備

本試驗采用氯化物低溫鍍鐵工藝，其鍍液成分及工藝條件為：四水氯化亞鐵300 gL、硫酸亞鐵100 gL、氯化鈉16 gL、抗壞血酸2 gL、十二烷基硫酸鈉0.03 gL、納米氧化鋯5～15 gL、溫度35 ℃、超聲功率200～300 W[6]、機械攪拌120 r/min。

所配制溶液呈綠色，在實驗過程中，用雷磁牌電導率儀（DDSJ-318）測試溶液PH值，并用10%稀鹽酸進行PH值調整，正向平均電流密度8～16 A/dm2，負向平均電流密度0.5～1.5 A/dm2，TF/TR=10[7]。鍍件從鍍槽取出后，以防生銹需先大量清水沖洗，之后再中和處理，之后浸機油[8]。

1.3 鍍層測試

采用EVO18型掃描電鏡觀察鍍層表面形貌并用掃描電鏡附帶的能譜儀檢測鍍層表面納米分布和含量，采用TH763顯微硬度儀測試鍍層顯微硬度及低倍表面形貌。

2 結果與討論

2.1 GKDM系列高頻脈沖電鍍電源參數

GKDM系列高頻脈沖電鍍電源參數如圖1所示：

圖1 GKDM系列高頻脈沖電鍍電源參數

圖中，TON：峰值電流導通時間； TOFF：峰值電流關斷時間；T：一個脈沖通斷周期T=TON+TOFF；TF：一組正脈沖工作時間TF=NT(n≥1)；TR：一組負脈沖工作時間TR= nT(n≥1)；TF+TR：正負脈沖換向的一個周期；IM：峰值電流；通斷比：D=TON/TOFF；占空比：DC=TON/T。

峰值電流和平均電流的換算

2.2 峰值電流導通（TON）、關閉（TOFF）時間對鍍層質量的影響

實驗選取T=100×0.1 ms，選擇三組TON和TOFF，第一組TON=10×0.1 ms，TOFF=90×0.1 ms；第二組TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms；第三組TON=30×0.1 ms，TOFF=70×0.1 ms。三組鍍片采用EVO18型掃描電鏡觀察鍍層表面形貌并用掃描電鏡附帶的能譜儀檢測鍍層表面納米分布和含量，如圖2。

通過對三組數據的對比，當TON和TOFF參數的設置發生變化時，鍍層表面晶粒尺寸隨之發生有規律的變化，如圖3。

圖2 三組鍍件表面掃描電鏡圖

圖3 鍍層晶粒尺寸隨脈沖占空比變化曲線

當TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms，占空比時20%時，鍍層晶粒有較大細化。隨之鍍層表面納米分布和含量也隨之發生相應變化，如圖4。

圖4 三組鍍件能譜儀面掃納米氧化鋯分布圖

如圖4所示，TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時，鍍層表面納米氧化鋯分布均勻密集。圖4中第三組納米氧化鋯分布圖，納米氧化鋯含量沒有第二組高，且分布不均勻。第一組納米氧化鋯含量較少。

在實驗中GKDM系列高頻脈沖電流，反向脈沖電流明顯改善了鍍層的厚度分布以利于納米均勻沉積,反向脈沖電流溶解了陰極上多余的鍍層，從而使陰極表面附近金屬離子濃度和納米粒子濃度迅速得到回升，這利于隨后的正向脈沖進行電沉積,反向脈沖電流可以除去電鍍過程中沉積的氫，鍍層中的氫含量大大減少，故可以有效地消除或減少內應力，反向脈沖電流使擴散層的實際厚度減薄，陰極電流效率提高，納米沉積速度加快。

當TON=10×0.1 ms，TOFF=70×0.1 ms時，正向脈沖作用時間過短，總正向平均電流小，影響納米沉積的速率，相同時間內納米沉積量少。當TON=30×0.1 ms，TOFF=70×0.1 ms時，負脈沖總用時間減少，陰極表面附近金屬離子濃度和納米粒子濃度回升較慢，使之后的正向脈沖電沉積中陰極附近納米含量不足，鍍層中納米含量偏少，如表1。

表1 三組鍍件表面元素重量、原子百分比

當TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時，鍍層表面納米氧化鋯含量達到最大值4.61%，鍍層表面納米氧化鋯含量會隨著占空比的逐漸升高而呈現出先增加后減少的趨勢。

3 結論

（1）當TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時，鍍層晶粒細化明顯；

（2）當TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時，鍍層表面納米氧化鋯分布均勻致密，且質量含量達到最大值4.61%。

[1] Schlesinger M, Paunovic M. 現代電鍍[M]. 北京: 北京化學工業出版社, 2006.

[2] Tohru Watanabe. 納米電鍍[M]. 北京: 中國化學工業出版社, 2007.

[3] 趙廣宏, 何業東. 脈沖參數對等離子電沉積鎳鍍層結構和性能的影響[J]. 材料熱處理學報, 2012, 33(8): 4.

[4] 張立德, 牟季美. 納米材料和納米結構[M]. 北京: 科學出版社, 2001.

[5] 候進. 淺談脈沖電鍍電源[J]. 電鍍與環保, 2001, 25(3): 4.

[6] 夏法鋒, 吳蒙華, 賈振元. 超聲波對納米Ni-TiN復合鍍層的影響[J]. 功能材料, 2008, 39(4): 5.

[7] 夏法鋒, 賈振元, 吳蒙華. 脈沖電沉積納米Ni-TiN復合鍍層[J]. 材料科學與工藝, 2007, 15(6): 5.

[8] 許喬瑜, 劉芳. 不對稱交流-直流電鍍Fe-納米ZrO2復合鍍層工藝的研究[J]. 材料保護, 2007, 40(3): 5.

Effects of High Frequency Pulse Power Parameters of Fe-ZrO2Composite Electrodeposition Coating Surface Nano Content

YAN Shuai, WANG Yuan-gang, NING Zhi, ZHAO Zi-yun, WU Meng-hua*
(College of Mechanical Engineering, Dalian University, Dalian 16622, China)

In order to improve the corrosion and wear of low-temperature iron plating coatings and improve the surface hardness of the coating, GKDM series high-frequency pulse plating power as the experimental composite electrodeposition process power, and with ultrasound - mechanical stirring Nano Fe-ZrO2coating was made. the parameters of High-frequency pulse power were studied: peak current conduction (TON) closing (TOFF) time; a positive pulse of working (TF) time, a negative pulse of working time impacting on the content of the coating surface nano. The results showed that when TON of the GKDM series high frequency pulse power was 20×0.1 ms, TOFF was 80×0.1 ms, Nano Deposition evenly distributed and dense, quality scores was high.

low-temperature iron plating coatings; GKDM series high-frequency pulse plating power; composite electrodeposition process; peak current; positive pulse; negative pulse

TG249.9

：A

：1008-2395(2013)06-0006-03

2013-11-15

國家自然科學基金項目（51005027）；遼寧省高等學校杰出青年學者成長計劃項目（LJQ2012106）；遼寧省教育廳一般項目(L2012446)。

閆帥（1985-），男，碩士研究生，研究方向：表面強化技術—梯度功能鍍層。

吳蒙華（1963-），男，博士，教授，機械工程學院院長，研究方向：特種加工微細電化學復合加工。