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脉冲频率对15-5PH不锈钢电镀铬层微观结构的影响

放大字体  缩小字体发布日期:2012-04-18  浏览次数:713

 徐娟,魏晓伟,邓丽虹,李铜

(西华大学材料科学与工程学院,四川成都610039)

摘要:采用自制的脉冲电镀装置对15-5PH不锈钢电镀铬层进行研究。结果表明,在标准镀铬液中,镀液温度为55℃,平均电流密度70 A/dm2,在占空比30%的条件下,随频率升高,镀铬层致密度增大,产生微裂纹的倾向性减小,表面粗糙度降低。但当频率大于3.0 Hz时,镀层致密度降低,产生裂纹的倾向性增大,表面粗糙度升高。

关键词:15-5PH不锈钢;脉冲电镀铬;微观结构

中图分类号:TG174.44文献标识码:A文章编号:1001-3814(2011)06-0118-03

铬镀层以其较高的硬度、良好的耐蚀性和装饰性以及低廉的价格而广泛应用于汽车制造业、航天事业、机械零件以及塑料模具的表面涂层[1-2]。然而,铬镀层在电镀过程中会产生大量的孔隙和裂纹,导致镀层的致密性和抗腐蚀性能下降[3]。脉冲电镀作为槽外控制镀层性能的一种手段,通过控制波形、频率、占空比等电流参数,对电沉积过程能够产生一定影响,可在一定程度上改变镀层性能,具有直流电镀所不具备的优点。近年来,随着脉冲电镀的研究,在贵金属高频脉冲电镀方面取得了不少有价值的成果。研究表明,它具有镀液可不用添加剂,脉冲镀层均匀、几乎无应力、致密和镀层质量高于直流电镀镀层的优点[4-7]。

镀液成分、温度、pH值及电流密度对不锈钢脉冲电镀铬镀层的组织和力学性能的影响已有大量报道,而脉冲频率对不锈钢镀铬层的研究鲜有系统的研究报道。因此,本研究通过采用自制的脉冲电镀设备在15-5PH不锈钢上制备了电镀铬镀层,并对其微观结构进行分析探讨,以期掌握脉冲频率对不锈钢镀铬的规律性。

1·实验方法

1.1实验材料

实验以100mm×25mm×2mm的15-5PH不锈钢试样(由工厂提供)为底材,镀液采用标准镀液[8],其成分为:铬酣(Cr2O3)250g/L,硫酸(H2SO4)2.5g/L,余量为去离子水。

1.2实验参数

脉冲电镀与直流电镀不同,后者只有一个独立的变量,即电流密度;而脉冲电镀的独立变量有3个,即脉冲频率、占空比和电流密度。本实验采用单向脉冲矩形波形脉冲电流,在固定电流密度、占空比(30%)的条件下(见表1),研究脉冲频率对镀铬层微观结构的影响[9]。

1.3实验过程

脉冲电镀前先对阳极铅板进行机械抛光,除去表面毛刺和杂质,阴极不锈钢试样先进行边角处倒角,以免电流集中发生过烧现象,再进行0#~4#金相砂纸打磨→水洗→酸洗→水洗→5#金相砂纸打磨→水洗→装夹→丙酮清洗→蒸馏水清洗,再电镀。电镀时,采用自制的WDM20-600型多功能数控脉冲直流电镀设备,脉冲电流密度70A/dm2,占空比30%,镀液温度(55±1)℃,试样受镀时间2 h。

1.4镀层性能测试

采用日本奥林巴斯公司生产的PME-OlympusTOKYO金相显微镜观察不同脉冲频率条件下获得的镀层的微观形貌。

采用贴滤纸法测试各种频率下所获镀层的孔隙率。具体检验方法是:镀铬后用蒸馏水将镀层表面洗净、吹干,再把浸透检验溶液的滤纸在室温下贴在镀层表面10min(滤纸底下不得残留空气泡),取下滤纸,用蒸馏水把其上的溶液冲洗干净,放在划有厘米方格的玻璃板上,吹干,然后检查单位面积滤纸上的蓝色斑点数(孔隙斑痕数)。计算孔隙率时,数出单位方格内包含的蓝色斑点数,按以下公式(式1)计算孔隙率,实验以三次测试的算术平均值作为最终结果。孔隙率(个/cm2)=n/s(1)

式中:n为孔隙斑点总数(个);s为受检试样面积(cm2)。

采用AON-STUDIO金相检验分析软件对各频率下的镀层致密度进行检验分析。通过面积法,对镀层的晶粒尺寸进行测试,对镀层晶粒度评级。

2·结果与讨论

2.1频率对表面粗糙度的影响

图1(a)~(f)为占空比30%、脉冲电流密度70 A/dm2、镀液温度55℃,不同脉冲频率下得到的镀铬层微观形貌。可见,随脉冲频率的增加,镀铬层的晶粒界限逐渐变得清晰,镀铬层表面的铬瘤逐渐减小,消失,镀层表面平整度增加,粗糙度减小。当频率为3.0Hz时,镀层表面几乎无铬瘤,晶粒界限最明显;当频率大于3.0Hz时,镀层表面有铬瘤生成,晶粒界限逐渐模糊,镀层粗糙度明显增大。

采用脉冲电镀,当电流导通时,阴极表面附近液体中的金属离子被快速沉积;电流关断时,本体电解液中的被镀金属离子向近阴极区扩散,使阴极表面附近液体中的金属离子的浓度得到恢复。因此脉冲电镀具有较好的平整镀层的能力,易得到光滑明亮的镀层。众所周知,脉冲电镀的3个独立参数均可调,由脉冲计算公式转换,将导通时间用占空比和频率来表示时,可得到:


式中:θ为脉冲周期,θ=Ton+Toff;f为脉冲频率,f=1/θ;ν为占空比,即为脉冲导通时间与脉冲周期之比。由式(2)中的参数可知,脉冲电镀过程中,当在占空比一定的情况下,提高脉冲频率可使导通时间缩短,相应的脉冲周期也会缩短。由电化学理论可知[10],随脉冲频率的增大,在电沉积过程中,可减小形核半径和形核过程所消耗的能量,增大形核几率有助于形成晶粒细小且致密的沉积层。但当频率过高时,在下一个导通时间到来时,阴极附近的金属离子浓度未能在关断时间内恢复,随电镀还原反应的持续进行,阴极附近的金属离子逐渐消耗,该处的金属离子浓度与镀液中的金属离子浓度出现浓差极化,并不断加大,导致金属离子向阴极表面移动不充分,促使阴极表面的晶体生长速度大于其形成速度,成核率减小,致使镀层晶粒粗大,沉积层表面粗糙,严重影响沉积层的质量。

2.2频率对裂纹产生倾向性影响

从图1的显微图片可看出,频率为1.0和2.0Hz的镀铬层表面有一定的微裂纹;频率为3.0Hz时,镀层表面几乎无裂纹;当频率大于4.0Hz时,镀层裂纹生长的倾向性又开始增大,这是因为,镀铬时吸氢和晶格变化所致。在电镀铬初期,在阴极处形成了铬的氢化物,氢化铬具有六方晶格组织,分解时产生立方体的铬,其体积要比氢化铬小,而基体一般为不锈钢刚体,阻止了其体积变小,所以在镀铬层中形成很高的内应力,当镀铬层达到一定的厚度时,便形成了裂纹。通常随着镀铬层厚度的增加,内应力增大,裂纹的数量增多。

Yong研究脉冲镀铬层形成时[11],研究了不同脉冲频率条件下镀铬层的表面裂纹的产生主要受脉冲导通时间的影响。所以,在本次研究中,随脉冲频率的增高,同一脉冲周期内,脉冲导通时间缩短。导通时间内,氢离子优先放电,镀层表面的裂纹和晶粒一同生长,关断电源,氢的析出大为减缓,形成的氢化铬部分溶解,所形成的晶粒和裂纹有所溶蚀,从而降低了在镀铬层表面所形成的残余应力,频率越高,镀层的残余应力降低的越多,越有利于减少裂纹的产生。所以,恰当的脉冲导通时间使镀铬层的残余应力最小,镀层的裂纹最少。

2.3频率对孔隙率的影响

镀层孔隙率是反映镀层表面致密程度的一种性能,镀层孔隙的多少直接影响镀层在各种腐蚀环境中的耐蚀性能,表2为不同频率下各试样镀层空隙率的检测结果。可知,脉冲镀铬层的空隙率普遍较低,且随脉冲频率的增高,空隙率减小至没有。这主要是因为随脉冲频率的增高,镀铬层的晶粒度越小,镀层越致密,最终使镀层的孔隙率降低。为进一步观察脉冲频率对镀铬层孔隙率的影响,实验中对不同频率下的镀铬层根据GB6394-2002,采用面积法进行平均晶粒度的评定,评定结果如图2所示。可见,在脉冲频率开始增加时,晶粒的平均直径减小,晶粒级数上升,粒度变小,晶粒细化;当脉冲频率增加到一定值后,晶粒直径开始增大,晶簇尺寸逐渐变大,晶粒级数下降。频率为3.0Hz时,镀层上的铬晶粒尺寸最小,晶粒级数最大(平均直径为7.07μm,晶粒级数为11.0级);频率大于3.0Hz时,晶粒尺寸虽较1.0和2.0 Hz有所下降(平均直径分别为14.68μm,11.47μm),但晶粒级数(均为10.0级)仍在下降且趋于一致。对脉冲电源来讲,脉冲频率越高,对电源本身的损耗也将增大。

3·结论

(1)在本实验范围内,用脉冲频率3.0 Hz、电流密度70A/dm2、镀液温度55℃的电镀工艺参数可得到晶粒细小,组织致密,表面粗糙度低和无裂纹的镀铬层。

(2)脉冲频率极大地影响镀铬层的微观表面形貌,适当地提高脉冲频率可细化镀铬层晶粒,减小镀层表面粗糙度,增加沉积层的致密度,减少微裂纹的形成。频率高于或低于3.0Hz时,所获镀铬层的微观形貌质量都较3.0Hz的有所降低。

参考文献:略

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