无刻蚀镀铁电沉积机理及综合性能

1、无刻蚀镀铁的电沉积机理及综合性能引用词语我介绍的镀铁 kobm。是通过将零件表面的蚀刻和电镀分开来进行的1。一个是硫酸溶液槽，用于电镀前的阳极蚀刻；另一种是氯化亚铁镀液。要电镀的工件首先放在30%硫酸溶液中作为阳极电极，铅板作为阴极电极。根据蚀刻工艺规范，施加直流电流。当待镀表面形成银白色钝化膜时，立即将被镀部分吊出腐蚀槽，用清水冲洗掉硫酸溶液，然后放入镀铁溶液槽中，在无电源的情况下腐蚀去除钝化膜，然后进行不对称交流电镀、过渡电镀和直流电镀。生产中很难掌握钝化膜去除的准确时间。如果待镀表面的蚀刻时间短并且钝化膜没有完全去除，如果蚀刻时间长，由于过度腐蚀而在待镀表面上的碳沉积将影响铁镀层和衬底之

2、间的结合强度，导致铁镀层和衬底金属之间的结合强度高低。当电镀机械零件相互协调运动时，机器损坏事故通常是由涂层脱落引起的。本文中的无刻蚀镀铁是在氯化亚铁镀液中完成零件表面交流活化、交流电镀、交流过渡电镀、小DC电镀、DC过渡电镀和全DC电镀的全过程，并优化工艺参数，实现全过程的计算机控制。所得镀铁层质量稳定可靠，机械性能优异。零件的质量和保质期完全满足再制造的要求。7 000多台大型船舶和机车曲轴采用无腐蚀镀铁技术进行了再制造，并已推广应用于工程机械柴油机曲轴、活塞杆等贵重零件。实现了规模化生产，先后获得了中国船级社、英国劳氏船级社、俄罗斯船级社的工厂认可证书和铁道部的技术认证。本文总结了多年来

3、非蚀刻镀铁层的试验结果，探讨了非蚀刻镀铁层的沉积机理，分析了镀铁层的特点。1测试条件1.1样品和电镀规范样品材料有Q235钢、45钢、低合金钢、42铬钢等。金相分析和XRD样品的尺寸分别为10毫米、10毫米和9 16毫米。镀铁液的主盐为氯化铁，35033克/升(比重1.200.2)，镀铁液的温度为405，pH值为0.90.1，电参数如图1所示。电镀参数编程到可编程控制器中，无刻蚀镀铁电源实现整个电镀过程中的无接触换向；输出正负平滑、连续、准确的交流电流或DC电流，交流输出频率为25Hz，稳压稳流精度0.5%。镀液的比重、温度()和酸度(酸碱度)等参数由自动控制补给系统调节。镀铁过程由微机自动控

4、制。1.2测试方法用光学显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线衍射分析了镀铁层的结构和显微结构。用XRD测定交流活化后镀铁层的内应力、晶粒度和晶面极密度，用显微硬度计测定镀铁层的硬度梯度分布，用改进的欧拉法测定镀铁层的结合强度3-4，用环块磨损试验机测定镀铁层的耐磨性3，用GB4337-84测试镀铁试验的弯曲疲劳性能。无刻蚀镀铁层沉积机理的研究2.1交流激活后零件的表面状态根据图1电镀时，将零件放入电镀槽中进行交流活化处理。交流激活电压为5伏，时间为5分钟。然后根据图1(b)中的规范进行交流电镀。在或当对非对称交流电镀施加阴极有效电压时(见图1中的B部分)，阴极和铁电镀液之间的界面中的

5、Fe2将优先通过高活化区中的电子放电沉积，这将使原来不平坦的微区变得不清晰，并形成新的浅的不平坦表面。其特性如图2(c)所示。电镀45秒后，电镀铁层完全覆盖电镀表面(见图2(d)。实验表明，无刻蚀镀铁工艺中对称交流活化的目的是获得适合Fe2选择性还原沉积的微熔活化界面，这是镀铁层与基体获得高结合强度的基本条件。2.2铁镀层沉积中的优选取向择优取向是多晶材料的晶粒取向呈现一定程度规则排列的一种组织状态。铁镀层的择优取向可以用X射线衍射仪测量和计算。实验中，用D/MAX-A衍射仪在CoK和石墨单色仪下测量了镀铁层(110)、(200)和(211)晶面的衍射强度，并根据公式(1)计算了各晶面的极密度

6、：其中hkl是(hkl)晶面的极密度；Ihkl是(hkl)晶面衍射峰的测量相对强度；I0hkl是JCPDS卡的值，校正为，然后用石墨单色仪校正；n是要测量的衍射线的数量。XRD测试结果见表15。从表1可以看出，在形成镀铁层的过程中，铁素体三个主晶面的极性密度发生了变化：在对称交流活化后，低碳钢(110)晶面的极性密度最高，即在初始不对称交流电镀过程中，Fe2将优先沿(110)晶面放电；然而，电镀后5分钟，(110)的极性密度下降到1.15，而(211)晶面的极性密度急剧上升到1.10，这意味着Fe2的电子沉积将开始从(110)晶面向(211)晶面转变。DC电镀1h后，(211)晶面的极性密度增

7、加到1.60，超过了(110)晶面的极性密度，即电子放电沉积Fe2的择优取向更加明显。上述规律与镀铁层的金相照片结果一致。图3 (a)和图3 (b)是在衬底表面上形成的电镀和过渡电镀的透射电子显微镜照片。这组照片有两个特点：图3(a)显示在结合处看不到基体和镀层之间的界面，显示了在微熔活化状态下，在界面电镀时的相互熔化特性；(2)图3(b)显示镀覆后过渡铁镀层从细小的等轴晶生长到柱状。图4是45钢基底表面上的铁镀层的扫描电子显微镜(SEM)二次电子图像，其充分反映了主要沿着某一晶体方向的铁镀层的柱状晶体特征。2.3铁涂层的粒度和相根据X射线衍射术的基本知识，当晶粒(或子晶粒)被细化到0.1m或

8、更小时，因为在每个晶粒中产生X射线衍射的晶面的数量减少，所以衍射线被显著加宽和散射，因此可以根据衍射线的真实加宽程度来确定细晶粒的尺寸。P.Scher-rer公式反映了衍射线半峰全宽与晶粒尺寸之间的关系：=k/Dcos(2)其中是衍射线的半宽(弧度)；k是常数，通常k=1；是光线波长；d是晶面法线方向的尺寸；是衍射角2的一半。图5显示了纯铁镀层的x射线衍射曲线。其测试条件为特征射线。从图5可以看出，-铁镀层的(110)晶面的衍射峰明显加宽(2=52.267)，衍射峰的FWHM测量值为0.71，即0.0124弧度，因此用公式(2)可以计算出镀层的晶粒直径为16.1纳米。根据作者提供的镀铁层样品，

9、1988年鞍钢钢铁研究所测量的晶粒直径为45.7纳米1987年，大连海事大学金属材料技术研究所测量的晶粒直径为3图6(a)示出了铁镀层是无定形的，这表明铁镀层中的一些微区域是无定形的，但是这种衍射图案的概率较小，并且频繁出现的衍射图案是图6(b)和6(d)。图6(b)示出了晶体的衍射图案，如图6(c)所示，该晶体在指数化后可以确认为-Fe(体心立方晶格)。图6(d)中的衍射图样是典型的多晶衍射环。根据指数标定，最靠近衍射中心的第一环是-Fe(110)晶面的衍射环，第二环和第三环分别是-Fe(200)晶面和(211)晶面的衍射环。图6(b)和6(d)都显示了铁镀层的相是具有体心立方晶格的-铁。根

10、据非蚀刻镀铁层形成过程中相关问题的研究数据，可以得出非蚀刻镀铁技术的关键是待镀表面在对称交流活化后处于微熔融活化状态，这有利于在非对称交流电镀过程中通过在零件表面获得电子来还原沉积铁镀液中的Fe2，并优先沿基底的活化晶面沉积。沉积的铁镀层可以是具有体心立方晶格的微非晶或(主要是)-铁晶体。非蚀刻铁涂层的沉积机理直接影响涂层的特殊性能。3非蚀刻镀铁层的性能特点3.1铁涂层的结合强度采用改进的OLLARD测试方法测量镀铁层与基体的结合强度。纯铁镀层结合强度为356.0 398.0兆帕，含镍钴合金镀层结合强度为435.0 490.0兆帕3.2铁涂层的残余应力镀铁层残余应力是指镀铁工艺完成并清洗后，镀

11、铁层、镀层和局部基体系统中存在的应力，也称为内应力。X射线衍射仪可用于测量镀铁系统的内应力6，测量结果如图7所示。从图7中可以看出，在镀铁系统(包括镀铁层、镀层和基板表面层)中，在拉伸应力中存在残余内应力，但是每个部分中的拉伸应力是不均匀的。其中，原始基体表面的拉应力较大(约100兆帕)，存在于160m范围内；镀层的拉伸应力最小(约30兆帕)，存在于基底表面以上65m范围内；镀铁层80m范围内的拉应力约为45兆帕。产生上述内应力分布的主要原因是镀铁层、镀层和基体的成分和结构不同。在相同的镀铁工艺环境中，由于各种原因，镀铁层系统中的应力应该是相同的，但是由于成分和结构的不同，在相同应力场中的行为

12、是不同的，从而达到上述最终的平衡状态。基体为45钢，组织为铁素体珠光体，镀层为纯铁，组织为铁素体单相，镀铁层也为纯铁，组织为铁素体单相。与三者相比，镀层的塑性最好，其次是镀铁层，最后是基体，但屈服强度相反。在相同应力下，镀层变形最大，其次是镀铁层和基体；因此，通过应变放松应力的最佳效果是电镀，然后是铁电镀和基底，这是上述规则，直到最终平衡。镀铁层系统呈现拉应力的内应力，这将产生更高密度的位错以增加镀铁层的硬度，从而改善镀铁层的实际机械性能。3.3铁涂层的硬度分布用显微硬度计沿着铁镀层的横截面测量硬度，载荷为100克，保持时间为15秒。结果如图8所示。图8显示未腐蚀的镀铁层硬度很高(580 63

13、0 HV 0.1)，在镀铁系统中呈梯度分布。在镀铁系统中，镀铁层的硬度均匀且最高，镀层中的硬度(约0.15 0.10毫米)向基体硬度急剧转变。存在根据GB/T 4337-84标准，三组15个标准样品，=9。设计并加工了480.01毫米。第一组是45钢调质试样，称为“母材”；第二组是直径方向厚度为0.20毫米的45钢调质铁基合金涂层；在第三组中，通过喷丸对45钢进行淬火和回火，然后在直径方向上镀上厚度为0.20毫米的铁基合金涂层。试验机为PQI-6弯曲疲劳试验机，转速为5000转/分，弯矩精度1%，径向跳动 3毫米。试验的目的是确定各组试样的疲劳极限和S-N曲线。3.4.1疲劳极限疲劳试验中的应

14、力水平由“举升法”4确定，三组试验的测试值如图9所示。在图中，如果循环数在一定压力下达到107，则判定为“通过”，如果循环数小于107，则判定为“失败”。三组试样的疲劳极限根据GB/T 4337-84的方法计算，如表2所示。从表2可以看出，45钢淬火和回火试样的疲劳强度并没有因在表面镀铁基合金涂层而降低，而是略有提高。经喷丸处理后，在45钢调质表面镀铁基合金涂层，系统的疲劳极限大大提高，比未喷丸处理的疲劳极限高17%，比45钢调质的疲劳极限高17.4%。3.4.2 S-N曲线测量S-N曲线时，应力水平确定为4级，用提升法测量的疲劳极限作为S-N曲线的低应力水平点。此外，对于3级较高应力水平下的试验，采用分组试验方法，根据数据离散度将每组确定为3个样本。以应力幅为纵坐标，以对数疲劳寿命(循环次数)为横坐标，将试验数据逐个输入计算机，通过程序处理得到三条曲线，如图10所示。图10清楚地说明了以下规律：45钢调质零件镀铁基合金后的旋转弯曲疲劳性能(包括-1和S-N关系)略高于原始零件；45钢经调质处理后，喷丸和重新镀铁基合金可以显著提高原零件的旋转弯曲疲劳性能。这些特点表明，无腐蚀铁基合金电镀技术特别适用于传递扭矩的轴类零件的表面成形和再制造。4结论理论(1)对称交流活化使待镀工件表面形成“微熔活化态”界面