激光預(yù)處理基體細(xì)化鉻層晶粒的電鍍機(jī)理研究

張國(guó)祥

(江海職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程系，揚(yáng)州225101)

引 言

激光淬火預(yù)處理鋼基體后再電鍍鉻層的復(fù)合工藝可以提高鉻層界面結(jié)合強(qiáng)度［1-2］和改變鉻層表面形貌［3］，并被用于某種鍍鉻身管武器，其身管壽命得到了大幅度的提高［4］。提高界面結(jié)合強(qiáng)度的機(jī)理是:激光淬火預(yù)處理鋼基體細(xì)化了鉻層界面的晶粒［1-2］。鉻層界面晶粒細(xì)化的材料學(xué)機(jī)理［1-2］是:由于激光淬火預(yù)處理的基體表面形成了晶粒細(xì)化的馬氏體，馬氏體的細(xì)化晶粒遺傳給了鉻層界面。盡管上述解釋是合理的，但缺乏電鍍機(jī)理影響的分析。由于鉻層是通過(guò)電鍍工藝制備的，為此，電鍍機(jī)理是揭示晶粒得以細(xì)化不可或缺的要素。從電鍍機(jī)理角度揭示激光預(yù)處理鋼基體細(xì)化鉻層界面晶粒，既是全面理解激光淬火預(yù)處理鋼基體可以細(xì)化鉻層界面晶粒的理論需要，也是進(jìn)一步探究激光淬火預(yù)處理基體后再電鍍鉻的復(fù)合工藝提高鉻層界面結(jié)合強(qiáng)度和鍍鉻身管延壽的現(xiàn)實(shí)需要。為此，作者借助電鍍理論，以期揭示激光淬火預(yù)處理基體細(xì)化鉻層界面晶粒的電鍍機(jī)理。

1 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象

1.1 試樣制備

基體材料是某種型號(hào)高射機(jī)槍身管的30CrNi2MoV高強(qiáng)度鋼。為了保證激光淬火預(yù)處理基體和未處理基體的電鍍條件一致，采用離散預(yù)處理辦法。采用專(zhuān)用加工設(shè)備對(duì)基體內(nèi)表面進(jìn)行螺旋式淬火預(yù)處理，采用YAG固體激光器，其激光工藝參量分別為:功率密度104W/cm2～106W/cm2、光斑直徑 0.8mm、身管轉(zhuǎn)速 3r/min、軸向進(jìn)給速率0.5mm/min。對(duì)激光離散預(yù)處理的身管再進(jìn)行鍍鉻。沿著陽(yáng)線方向，用線切割機(jī)，取與激光掃描線相垂直的軸向試樣，進(jìn)行磨、拋光，用體積分?jǐn)?shù)為0.05的硝酸酒精腐蝕得到了如圖1所示的鍍鉻層/基體結(jié)構(gòu)掃描電鏡軸截面圖。圖1中的橢圓和兩個(gè)橢圓之間區(qū)域分別為激光處理區(qū)和未處理區(qū)。

Fig.1 Axial section of Cr-plated structure for substrate interface dispersedly pre-treated by laser

1.2 界面形貌對(duì)應(yīng)關(guān)系

鉻層與基體之間界面是由靠近基體一側(cè)鉻層表面和靠近鉻層的基體表面構(gòu)成的，為了研究方便，將前者稱(chēng)為鉻層界面，后者稱(chēng)為基體界面。

為了揭示鉻層界面形貌與基體界面的對(duì)應(yīng)關(guān)系，采用化學(xué)腐蝕法對(duì)圖1所示的試樣進(jìn)行腐蝕處理，并用S-750高分辨掃描電鏡觀察:一是利用體積分?jǐn)?shù)為0.3的硝酸酒精腐蝕掉基體，研究鉻層界面形貌，得到圖1a;二是用體積分?jǐn)?shù)0.3的氫氧化鈉溶液陽(yáng)極電解去除鉻層后，觀察基體界面形貌，得到圖1b。

1.2.1 界面宏觀對(duì)應(yīng)關(guān)系 由于采用了激光螺旋式離散淬火處理，則形成了圖2b所示的基體界面周期性條帶狀形貌，而鉻層界面也形成了圖2a所示的離散條帶狀形貌。由此說(shuō)明基體形貌一一對(duì)應(yīng)地傳遞給了鉻層界面上。

1.2.2 界面微觀對(duì)應(yīng)關(guān)系 為了進(jìn)一步研究鉻層界面與基體界面對(duì)應(yīng)關(guān)系，分別對(duì)二者進(jìn)行放大，得到圖3a所示的鉻層界面組織形貌和圖3b所示的基體界面幾何形貌。圖3a表明:未處理基體上的鉻層界面晶粒明顯大于激光處理區(qū)的。前者晶粒尺寸為30nm ～50nm，而后者的是 8nm ～12nm［5］。未處理基體界面存在大量、尺寸較大的微坑，而激光處理的則很小。形成這種現(xiàn)象的原因是在鍍鉻前酸洗等前處理過(guò)程中，由于激光淬火所產(chǎn)生的馬氏體具有很強(qiáng)的耐腐蝕能力，為此沒(méi)有較大的微坑。

Fig.2 Macro-relationship between interfaces

Fig.3 Micro-relationship between interfaces

1.3 基體界面粗糙度比較

為了進(jìn)一步分析激光預(yù)處理與未處理基體界面的幾何形貌，利用無(wú)接觸式的激光粗糙度儀對(duì)上述基體界面進(jìn)行粗糙度測(cè)量，其粗糙度值也就是微坑深度。從激光處理區(qū)向未處理區(qū)進(jìn)行動(dòng)態(tài)、連續(xù)掃描測(cè)量，得到圖4。圖4表明，激光處理區(qū)的粗糙度明顯小于未處理區(qū)的。

由此可見(jiàn)，鉻層界面的晶粒尺寸與基體界面粗糙度有關(guān)。小的晶粒尺寸對(duì)應(yīng)著小的粗糙度，反之亦然。

2 電鍍機(jī)理研究

電鍍過(guò)程是電結(jié)晶過(guò)程，與別的結(jié)晶過(guò)程不同的是，電場(chǎng)的影響起著重要作用。過(guò)電位是決定結(jié)晶形態(tài)的第1位的［6］，為此本研究用過(guò)電位來(lái)表征電場(chǎng)對(duì)晶粒尺寸的影響。

2.1 晶粒尺寸與過(guò)電位關(guān)系

由于鉻層是沿著界面垂直方向形成柱狀晶［2］，為此用柱狀晶的直徑來(lái)表示晶粒尺寸。晶核臨界尺寸為:

式中，r為晶核臨界尺寸，h為2維圓柱晶核的高，σ1為晶核與電解液之間的界面張力，σ2為晶核與電極之間的界面張力，σ3為電極與電解液之間的界面張力，ρ為晶核密度，M為相對(duì)原子質(zhì)量，n為電化學(xué)反應(yīng)的電子數(shù)，η為過(guò)電位，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。

(1)式表明:過(guò)電位η越大，晶核臨界尺寸r越小。

成核速率與電場(chǎng)過(guò)電位關(guān)系由下式給出:

式中，k=R/N為玻爾茲曼常數(shù)，R為氣體常數(shù)，N為阿伏加德羅常數(shù)，T是溫度，W是成核速率。

(2)式表明:過(guò)電位η越大，成核速率W也越大。

結(jié)合(1)式、(2)式可知:在實(shí)際電鍍中，提高過(guò)電位，可以獲得致密的鍍層，進(jìn)而在有限的空間內(nèi)，可以獲得尺寸較小的晶粒。因此，晶粒細(xì)化的原因是由于過(guò)電位的提高。

2.2 過(guò)電位比較分析

根據(jù)上述分析可知:晶粒尺寸與過(guò)電位有關(guān)，并且成減函數(shù)關(guān)系。因此，對(duì)于晶粒細(xì)化的電鍍機(jī)理分析也就演化成對(duì)激光預(yù)處理基體與未處理基體的過(guò)電位比較分析。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果:激光預(yù)處理基體界面的粗糙度明顯小于未處理基體的。因此，從幾何學(xué)角度，激光預(yù)處理與未處理基體界面幾何形貌比較又可轉(zhuǎn)化為兩者界面粗糙度比較。由此，構(gòu)建如圖5所示的基體界面幾何形貌統(tǒng)一模型。

Fig.5 Geometric morphologymodel of steel substrate interface

圖5 中，虛線表示陽(yáng)極表面，水平方向的直線表示基體底部。h1和h2分別表示陽(yáng)極表面到基體界面形貌的波峰和波谷距離，D表示表示微坑深度。這樣就可以把波谷視為遠(yuǎn)陰極、波峰視為近陰極。在電鍍過(guò)程中，基體界面也就可以看成從遠(yuǎn)陰極向近陰極連續(xù)過(guò)渡的幾何曲面。

波峰與波谷之間電位關(guān)系可用下式表示［6］:

式中，φf(shuō)，φg分別為在波峰、波谷上雙電層的溶液一方的電位，I為離開(kāi)基體界面無(wú)限遠(yuǎn)處的均勻電流密度，K為無(wú)極化時(shí)的分散能力，K與D，h1之間關(guān)系可用下式表示，且為常數(shù)［7］:

由于激光預(yù)處理區(qū)和未處理區(qū)在一個(gè)基體試樣上，則鉻層制備的陰極電流、電鍍液成分、溫度等電鍍工藝參量是完全一樣的，二者差異是微坑深度D的不同。如圖5所示，波谷距離鉻層表面最遠(yuǎn)、距離基體底部最近，為此，以波谷為尺寸基準(zhǔn)，進(jìn)行激光預(yù)處理和未處理的微坑深度比較。這樣就可以將(3)式改寫(xiě)成:

式中，φx是基體幾何曲面上距離波谷x處的電位。

為了比較分析，由圖5所示，h1，h2及D之間的關(guān)系是:

將(4)式、(6)式帶入(5)式后整理得:

(7)式表明:由于激光預(yù)處理和未處理的基體界面的電鍍工藝參量一樣，則I和φg也是相同的，則若在x相同的情況下，則隨著微坑深度D的增加，x處的電位φx則隨之減小。

過(guò)電位η是指陰極電位偏離平均電位的偏離值［6］。設(shè)電鍍液中平均電位為φ0，則根據(jù)過(guò)電位定義和(7)式，x處的過(guò)電位可表示為:

由于鉻層制備的電鍍工藝參量是完全一樣的，則φg和φ0也是一樣的。則(8)式表明:基體界面距離波谷x處的過(guò)電位ηx隨著D的增加而減小，反之亦然，即ηx與D成減函數(shù)關(guān)系。

由于激光預(yù)處理的微坑深度D遠(yuǎn)小于未處理的ηx，根據(jù)ηx與D的減函數(shù)關(guān)系，則激光預(yù)處理的ηx相反要大于未處理的。再根據(jù)(1)式、(2)式所表示的晶粒尺寸與過(guò)電位的減函數(shù)關(guān)系，則有激光預(yù)處理基體上的鉻層界面晶粒要小于未處理的。

圖1的橢圓形激光處理區(qū)表明，在激光光斑內(nèi)的溫度呈正態(tài)形狀分布，中心處溫度最高，邊緣溫度最低，通過(guò)對(duì)鉻層界面晶粒分布上看:晶粒細(xì)化程度也是從邊緣向中心部位呈梯度逐漸增加的［8］，這說(shuō)明了隨著激光對(duì)基體的淬火程度的增加，鉻層界面晶粒細(xì)化程度也增加。激光淬火預(yù)處理基體對(duì)鉻層界面結(jié)合強(qiáng)度影響機(jī)制分析也說(shuō)明，隨著激光對(duì)基體淬火硬化程度降低，界面結(jié)合強(qiáng)度也隨之降低［9］，這也進(jìn)一步證明了激光對(duì)基體的淬火程度與鉻層界面晶粒細(xì)化成正比關(guān)系。

3 結(jié)論

(1)激光淬火預(yù)處理基體得到晶粒細(xì)化的馬氏體。

(2)在電鍍鉻層之前的化學(xué)預(yù)處理過(guò)程中，由于馬氏體的耐腐性，導(dǎo)致基體界面的粗糙度明顯小于未處理基體的。

(3)粗糙度的變小使得過(guò)電位過(guò)大，則細(xì)化了鉻層界面的晶粒。

(4)鉻層界面晶粒細(xì)化程度隨著激光對(duì)基體淬火硬化程度增加而增加。

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