机械装备关键零部件表面镀层性能研究

黄志伟，仝蓓蓓，刘玉宾

（黄河水利职业技术学院，河南 开封 475004）

0 引言

电镀是利用电解原理，在基体表面上均匀沉积金属镀层，改变基体表面性质或尺寸，从而获得保护性和各种功能性的表面层的技术，也可以用来修复磨损和加工失误的工件。 由于工艺简单、成本低廉，电镀被广泛应用于机械装备的零部件中[1-3]。 如，通过对汽缸内壁、汽车轴承、汽车发动机的凸轮轴及连杆、曲轴轴颈等常发生磨损的表面镀覆，可提高该零部件的强度、硬度、耐高温、耐磨损、抗腐蚀等性能。 由于镀层的质量决定了零部件的使用性能及寿命，因此提高镀层的质量一直是电镀科研的核心课题。

目前，机械装备上的关键零部件多采用复合镀工艺。 与单质镀层相比，它提高了硬度，镀层的综合机械性能也得到了提高，但是结果仍然不能令人满意[4～5]。 本项目在电镀镍钴合金镀层的过程中，引入垂直离子沉积方向上的外加交变磁场，期望可以改善金属离子的沉积状态，细化晶粒尺寸，提高镀层的硬度，达到改善镀层质量，延长机械装备零部件的性能及使用寿命的目的。

1 实验部分

1.1 镀液成分

实验所用镀液成分为：NiSO2·7H2O（250g/L）、NiCl2·6H2O （40g/L）、CoSO4·6H2O（20g/L）、H3BO340（g/L）。 PH 值为4.5±0.1。

1.2 试剂

所有电镀实验用试剂均为分析纯试剂，用蒸馏水配制。

1.3 工艺条件

镀槽是用聚氯乙烯塑料自行焊制成的。 电热水浴保温于35±1℃，以镍板作为阳极。 为了避免阳极极化，阳极的表面积为阴极的8 倍，阳极与阴极的间距为30 cm。 每个样本制备完成后，电镀液均需更新。 外加交变磁场采用自制铜线圈，铜线直径0.1 mm，匝数为5 080，共9 层。 磁场线圈与交流变压器相连，交流变压器外加交流电（220V，50Hz）。在实验中，用线圈两端电压值来控制磁场强度的大小。 磁力线分布垂直于金属离子的沉积方向，有利于改变离子的沉积状态，使其在阴极附近产生离子紊流，冲刷镀层表面，抑制晶粒生长。

1.4 实验方法

将经过严格镀前预处理的基体带电快速放入电镀槽镀液中，进行大电流冲击，冲击电流密度为3A/dm2。 1min 后，将电流密度调整为1A/dm2进行加厚镀，时间为2.5h。 然后，接通外加磁场线圈电源，线圈电压分别为0V、60V、120V、150V、180V、230V、300V，在每种电压下制备1 个镀层样本，然后将镀层从阴极剥落。

1.5 实验仪器

实验采用电子扫描显微镜观察沉积层表面形态，采用上海泰明光学仪器有限公司生产的HX-500 型显微硬度测试仪进行显微硬度测量，所用负荷为200 g，加载时间保持15 s。在每个镀层上分别进行5次分散取点，然后取平均值，作为实验结果。

2 结果与讨论

2.1 外加交变磁场对镀层形貌的影响

图1 为不同外加交变磁场强度下镍钴合金镀层的表面形貌。

图1 镍钴合金镀层表面SEM形貌Fig.1 Surface appearance of SEM of Ni-Co alloy coating

由图1 可知：外加电压为0 V 时，镀层表面尺寸为1.5～2.0μm 的微粒占微粒总数的90%左右；外加电压为230V 时，镀层表面尺寸为1.5～2.0μm 的微粒只占微粒总数的25%左右，大多数微粒尺寸在0～1.0μm 之间。 在制备镍钴合金镀层的过程中，外加磁场之所以能够影响镀层的离子沉积状态，主要是因为洛伦磁力在镀液中产生的磁流体力学效应[6]，这种效应的宏观效果就是镀液被搅拌，提高了金属离子的沉积速率，增大了金属离子沉积时对阴极表面的冲刷作用。 镀液中的阳离子受电场力与磁场力的双重作用，改变了运动轨迹，如图2（a）所示。 在沉积过程中，阳离子所受电场力大小与方向都不变，但磁场力方向与大小均改变，离子改变了正常的沉积状态（如图2（b）），做近似曲线运动（如图2（c）所示）。 在电场与磁场作用下，阳离子改变了正常的沉积状态，以一定的角度和速度冲刷镀层表面，抑制了晶粒的生长，使其形核率大于生长率[7]，从而使晶粒细化、镀层致密，如图1（b）所示。

图2 不同受力状况下金属离子的沉积状态Fig.2 Deposition of metal ion under different stresses

外加磁场强度较小时，金属离子沉积对镍钴合金镀层生长层的冲刷作用不够明显，阴极晶粒的形核率小于生长率。 当外加磁场强度增大到一定程度时，金属离子沉积时对阴极表面的冲刷作用使阴极晶粒的形核率大于生长率，晶粒得到细化，进而改变了镀层的性能。

2.2 外加交变磁场对镀层硬度的影响

经对外加交变磁场电压分别为0V、60V、120V、150V、180V、230V、300V 条件下所制得的镀层硬度进行测试，得出其显微硬度值分别为349HV、360HV、354HV、426HV、445HV、461HV、435HV。外加电压对镀层显微硬度的影响如图3 所示。

图3 外加电压对普通Ni-Co镀层显微硬度的影响Fig.3 Influence of extra voltage to normal Ni - Co coating micro-hardness

从图3 中可以观察到，外加电压为0～120V 时，镀层的显微硬度变化不明显；外加电压大于120V 时，镀层的显傲硬度开始大幅上升，在230V 时达到461HV，硬度值高出本实验所做无磁场影响下的Ni-Co 镀层112 HV。从磁流体力学的角度分析，开始时，镀层显微硬度变化不大的原因可能是，磁场对改变离子沉积轨迹的影响能力不够大，离子沉积时对表层晶粒生长层的冲刷作用不明显，晶粒生长率仍然大于形核率，晶粒尺寸没有得到有效的抑制。 当外加电压大于120 V 时，晶粒的生长率由于受磁场作用下离子紊流的影响，明显小于形核率，晶粒尺寸得到有效的抑制，镀层的显微硬度升高很快，在230 V 时效果最为明显。 根据Hall-Petch 公式[8]可知，随着晶粒尺寸的细化，镍钴合金镀层硬度升高，试验结果与这一理论相一致。 随着外加磁场电压的进一步增大，离子对沉积层表面的冲刷加剧，形核率小于生长率，镀层变得疏松，镀层硬度开始呈下降趋势。 这种试验现象也与相关的研究结果相一致[9～11]。

3 结语

在电镀过程中引入外加交变磁场，可广泛应用于机械装备关键零部件的表面处理中，实现其耐磨、耐腐蚀及修复失效零件的功用。 采用这种方法，可以在低成本的情况下显著提高镀层质量，延长零部件的使用寿命。 实验为机械装备中关键零部件表面质量的提高提供了一种经济、环保、有效的新技术。 但是。 目前的研究还处在试验阶段，镀层质量的改善程度还有待进一步提高。

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