基于模具鋼基體的Ni-Co合金鍍層的性能研究

（內江職業技術學院 智能制造系，四川 內江641000）

0 前言

Ni-Co合金鍍層具有優良的綜合性能，有望替代硬鉻鍍層，在儀器儀表、電子產品和冶煉裝備上有重要的應用價值[1-2]。隨著現代工業發展對材料的性能提出更高要求，Ni-Co合金鍍層越來越受到重視。

Cr12Mo V鋼作為一種優質模具鋼，被廣泛用于模具制造[3]。近年來，隨著零件質量要求的不斷提高，對模具材料的性能提出了更高要求。因此，有必要通過表面強化來進一步提高Cr12Mo V鋼的性能。本研究采用電沉積Ni-Co合金鍍層的方法對Cr 12Mo V鋼進行表面強化，進一步提高Cr 12Mo V鋼的硬度和耐磨性。

1 實驗

1.1 實驗材料

基體為模具鋼（Cr12Mo V鋼），將其切割成尺寸為55 mm×30 mm×2 mm的試樣。預處理工藝流程為：打→—磨→—→—拋光除油清→—洗酸→—洗清→—洗干燥。陽極為高純鎳板，先進行除油處理，再用蒸餾水沖洗干凈后裝入陽極袋中。陽極表面積為基體表面積的兩倍。

1.2 實驗方法

采用改進的瓦特型鍍液，其組成為：NiSO4·6 H2O 250 g/L，CoSO4·7 H2O 30 g/L，NiCl2·6H2O 15 g/L，H3BO340 g/L，NaC7H9NSO51 g/L，NaC12H25SO40.2 g/L。電沉積Ni-Co合金鍍層時，用磁力攪拌器恒轉速（350 r/min）攪拌鍍液，鍍液pH值控制在4.0，鍍液溫度控制在50℃。選用直流穩壓電源，設置恒流模式，電流密度為1～5 A/dm2。

Ni-Co合金鍍層的厚度約為35μm，為了便于測試分析，將合金鍍層裁剪成多個試樣。用Hitachi S-4800型場發射掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面形貌，用X射線能譜儀分析試樣的成分。

用HXD-1000型維氏硬度計測試試樣的硬度，施加載荷為100 g，保載時間為15 s。每個試樣上選取5個點進行測試，結果取平均值。

在室溫、無潤滑的條件下，用往復式摩擦磨損試驗機測試試樣的耐磨性，施加載荷為5 N，往復行程為40 mm，時間為300 s。

2 結果與討論

2.1 合金鍍層的成分

表1為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的成分。由表1可知：電流密度對Ni-Co合金鍍層中Ni、Co的質量分數有較大的影響。隨著電流密度的增大，Co的質量分數降低，而Ni的質量分數升高。當電流密度為1 A/dm2時，Co的質量分數最高為24.86%，Ni的質量分數最低為75.14%。當電流密度為5 A/dm2時，Co的質量分數最低為18.48%，Ni的質量分數最高為81.52%。

表1 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的成分

Co的質量分數隨電流密度的增大而降低的主要原因是：（1）Co沉積受擴散控制，陰極極化對Co沉積影響較大[4]。當電流密度較小時，陰極極化較低，陰極面周圍被消耗的Co2+通過擴散得以及時補充，有利于Co沉積，因而合金鍍層中Co的質量分數較高。隨著電流密度的增大，陰極極化增大的同時也消耗了很多Co2+，陰極面周圍Co2+的質量濃度下降，通過擴散來不及補充，導致濃差極化加劇，不利于Co沉積，因而合金鍍層中Co的質量分數降低。（2）隨著電流密度的增大，析氫量增多導致Ni-Co共沉積時的陰極電流效率降低，Co的分電流效率隨之降低，Co的沉積速率比Ni的沉積速率慢[5]，從而導致Co的質量分數降低。

2.2 合金鍍層的表面形貌

圖1為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的表面形貌。圖2為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的表面粗糙度。由圖1和圖2可知：當電流密度為1 A/dm2時，合金鍍層較平整致密，表面粗糙度約為0.5μm。隨著電流密度的增大，合金鍍層的平整度和致密度均提高。當電流密度達到3 A/dm2時，合金鍍層的表面形貌最好，表面粗糙度為0.4 μm左右。這是由于電流密度增大使陰極過電位提高，較高的陰極過電位促使晶核的形成速率比生長速率快，從而使晶粒細化、組織致密。但當電流密度超過3 A/dm2時，合金鍍層的平整度和致密度均降低，表面變得粗糙，晶粒粗化。隨著電流密度從3 A/dm2增至5 A/dm2，合金鍍層由細小顆粒狀形貌轉變成錐狀形貌，平整度和致密度都明顯降低。這是由于電流密度過高導致濃差極化加劇，析氫量增多造成針孔等缺陷。同時，陰極面周圍鍍液的pH值升高，容易形成金屬氫氧化物夾雜在合金鍍層中[6]，從而使合金鍍層的致密度降低。

圖1 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的表面形貌

合金鍍層的表面形貌除了受電沉積工藝條件的影響外，還受其自身成分的影響。Ni-Co共沉積屬于異常共沉積，共沉積時會形成以Co為溶質原子、Ni為溶劑原子的置換型固溶體。由于Ni和Co的原子半徑不等，所以Co作為溶質原子進入Ni晶格的間隙中會引起晶格畸變[7]。Ni-Co合金鍍層中Co的質量分數對置換型固溶體的形成和生長有一定影響，Co的質量分數越高，越容易形成以Co為溶質原子、Ni為溶劑原子的置換型固溶體。置換型固溶體的生長容易引起晶格畸變，隨之產生大量的位錯、空位等缺陷，使晶界數量增多，將大尺寸晶粒割裂成多個小尺寸晶粒，從而起到細化晶粒、提高合金鍍層平整度和致密度的作用。

圖2 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的表面粗糙度

2.3 合金鍍層的硬度

圖3為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的硬度。由圖3可知：當電流密度從1 A/dm2增大到3 A/dm2時，合金鍍層的硬度從4.23 GPa增大到4.57 GPa。這是由于電流密度增大使晶粒細化，合金鍍層的平整度和致密度都提高，加之Co的質量分數較高，能起到很好的固溶強化作用，所以合金鍍層的硬度增大。當電流密度達到3 A/dm2時，合金鍍層的硬度最高。但當電流密度超過3 A/dm2時，由于合金鍍層的平整度和致密度都降低，加之Co的質量分數較低，導致合金鍍層的硬度降低。

圖3 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的硬度

2.4 合金鍍層的耐磨性

圖4為Ni-Co合金鍍層的摩擦因數隨時間的變化曲線。由圖4可知：隨著時間的延長，合金鍍層的摩擦因數都在一定范圍內波動。相比之下，電流密度為3 A/dm2時所得合金鍍層的摩擦因數波動幅度較小，摩擦因數隨時間的變化曲線較平滑。

圖4 Ni-Co合金鍍層的摩擦因數隨時間的變化曲線

表2為不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的平均摩擦因數。由表2可知：電流密度對合金鍍層的平均摩擦因數有一定的影響。隨著電流密度的增大，合金鍍層的平均摩擦因數先降低后升高；當電流密度達到3 A/dm2時，合金鍍層的平均摩擦因數最低（為0.30），說明其具有良好的耐磨性。

表2 不同電流密度下所得Ni-Co合金鍍層的平均摩擦因數

3 結論

（1）電流密度對Ni-Co合金鍍層的成分、表面形貌、硬度和耐磨性有一定的影響。

（2）隨著電流密度的增大，Co的質量分數由24.86%降至18.48%；合金鍍層由細小顆粒狀形貌轉變成錐狀形貌，表面粗糙度先降低后升高；合金鍍層的硬度先增大后減小，平均摩擦因數先降低后升高。

（3）當電流密度達到3 A/dm2時，Ni-Co合金鍍層晶粒細化、組織致密，表面粗糙度約為0.3μm，硬度達到4.57 GPa，平均摩擦因數為0.3，具有良好的耐磨性。