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1、無刻蝕鍍鐵電沉積機理及綜合性能引 言MeлkobM.П介紹的鍍鐵是將零件表面的刻蝕與電鍍分槽進行的[1]。一個是鍍前陽極刻蝕用的硫酸溶液槽;另一個是氯化亞鐵鍍鐵溶液槽。被鍍件首先放在30%硫酸溶液中為陽電極,鉛板為陰電極。按照刻蝕工藝規(guī)范通直流電,當待鍍表面形成銀白色鈍化膜,立即將被鍍件從刻蝕槽中吊出,用清水沖洗掉硫酸溶液,然后放在鍍鐵溶液槽中,不通電浸蝕除掉鈍化膜,再進行不對稱交流起鍍、過渡鍍和直流鍍。生產(chǎn)中退掉鈍化膜的時間很難掌握準確。如果待鍍表面浸蝕時間短了鈍化膜尚未完全退掉,若浸蝕時間長了待鍍表面由于過腐蝕而積碳,都會影響鍍鐵層與基體的結(jié)合強度,造成鍍鐵層與基
2、體金屬結(jié)合強度有高有低。鍍出來的機械零件在動配合運轉(zhuǎn)中,常有因鍍層脫落造成機損事故。文中的無刻蝕鍍鐵是在氯化亞鐵鍍液槽中完成對零件表面的交流活化—交流起鍍—交流過渡鍍—小直流鍍—直流過渡鍍—全直流鍍的全過程,而且優(yōu)化工藝參數(shù)并實現(xiàn)了全過程的計算機控制。由此獲得的鍍鐵層質(zhì)量穩(wěn)定、可靠,力學性能優(yōu)異,零件質(zhì)量和保證期完全達到再制造的要求[2]。應用無刻蝕鍍鐵技術(shù)已再制造了船舶、機車大型曲軸7 000余件并推廣應用于工程機械柴油機曲軸、活塞桿等貴重零部件,已實現(xiàn)規(guī)?;a(chǎn),并相繼獲得了中國船級社、英國勞氏船級社、俄羅斯船級社工廠認可證書和鐵道部技術(shù)認證。文中綜合了多年來對無
3、刻蝕鍍鐵層的測試結(jié)果,探討了無刻蝕鍍鐵層的沉積機理,分析了鍍鐵層的特點。1 試驗條件1.1 試樣與電鍍規(guī)范試樣材料為Q235鋼、45鋼、低合金鋼、42CrMo鋼等。金相分析、XRD試樣的尺寸分別為10mm×10mm×8mm、Φ9~16mm。鍍鐵液的主鹽為FeCl2·4H2O,350±33g/L(比重1.20±0.2),鍍鐵液溫度為40±5℃,pH值0.9±0.1,電參數(shù)見圖1。將施鍍電參數(shù)編程輸入PLC,無刻蝕鍍鐵電源在施鍍?nèi)^程實現(xiàn)了無觸點換向;輸出正、負平滑、連續(xù)、準確的交流電流或直流電流,交流輸出頻率25Hz,穩(wěn)壓和穩(wěn)流精度≤0.5%。鍍液比重、溫度(℃)、酸度
4、(pH)參數(shù)由自動控制補給系統(tǒng)調(diào)控。鍍鐵過程由微型電子計算機全程自動控制。1.2 測試方法鍍鐵層的結(jié)構(gòu)、組織應用光學顯微鏡(OM)、掃描電子顯微鏡(SEM)、透射電子顯微鏡(TEM)和X射線衍射(XRD)進行分析;鍍鐵層的內(nèi)應力、晶粒度及交流活化后的晶面極密度測定都應用了XRD;鍍鐵層的硬度梯度分布采用顯微硬度計測定,鍍鐵層的結(jié)合強度采用改進的奧拉(Ollard)法測定[3-4],鍍鐵層的耐磨性采用環(huán)—塊磨損機測定[3],鍍鐵試驗彎曲疲勞性能按GB4337-84測試。2 無刻蝕鍍鐵層的沉積機理研究2.1 零件經(jīng)交流活化后的表面狀態(tài)按圖1施鍍時先將零件放入鍍鐵液槽進行交
5、流活化處理。交流活化電壓為±5V,時間5min。然后按圖1(b)規(guī)范交流起鍍。為證明形成微融活化態(tài)界面,扈心坦等分析了交流活化前、后及起鍍后的試樣在掃描電鏡上拍攝的表面形貌[5],見圖2。由圖2(a)知,低碳鋼試件放入氯化亞鐵溶液鍍槽前由于經(jīng)過酸化水清洗,表面產(chǎn)生了少許蝕點,分析是氫離子作用的結(jié)果。圖2(b)示出了對稱交流活化后的低碳鋼表面形貌,其特點是微觀凹凸不平,而且凹坑是有選擇性的。由低碳鋼的組織(F+P)在氯化亞鐵電解液中的電化學作用規(guī)律可知:鐵素體(F)比珠光體(P)融解得快,所以圖2(b)中的凹坑是鐵素體被融解的記錄,使該處處于高度的活化狀態(tài),這種狀態(tài)稱為
6、微融活化態(tài)。當施加陰極有效電壓進行不對稱交流起鍍(見圖1中的b段)時,陰極與鍍鐵液界面中的Fe2+將優(yōu)先在高活化區(qū)獲得電子放電沉積,使原凹凸不平的微區(qū)變得不甚清晰并形成新的較淺的凹凸表面,其特征見圖2(c)。當起鍍45s后,鍍鐵層已完全覆蓋了施鍍表面(見圖2(d))。試驗顯示,無刻蝕鍍鐵工藝中的對稱交流活化的目的是獲得適合于Fe2+選擇還原沉積的微融活化態(tài)界面,這是獲得鍍鐵層與基體高結(jié)合強度的基礎(chǔ)條件。2.2 鍍鐵層沉積中的擇優(yōu)取向擇優(yōu)取向是多晶體物質(zhì)中晶粒取向呈現(xiàn)某種程度的規(guī)律排列的組織狀態(tài)。鍍鐵層的擇優(yōu)取向可應用X射線衍射儀測定并計算。試驗采用D/MAX-Ⅲ-A衍
7、射儀,測試條件為CoKα,加石墨單色器,測定鍍鐵層的(110)、(200)和(211)3個晶面的衍射強度并按式(1)求出各晶面的極密度:式中,ρhkl是(hkl)晶面的極密度;Ihkl是測得的(hkl)晶面衍射峰的相對強度;I0hkl是JCPDS卡片經(jīng)修正為CoKα的值再經(jīng)石墨單色器修正的值;n是被測衍射線的個數(shù)。經(jīng)XRD測試結(jié)果見表1[5]。由表1可知,在鍍鐵層形成過程中,鐵素體3個主要晶面的極密度是變化的:低碳鋼在對稱交流活化后,(110)晶面的極密度最高,也即最初不對稱交流起鍍時,F(xiàn)e2+將沿(110)晶面擇優(yōu)放電沉積;但是在起鍍5min后,(