613352285畢業(yè)設計（論文）B4C對鍍鐵層組織及性能的影響

1、目錄前言11 鍍鐵工藝的概述21.1 電鍍工藝原理21.2 鍍鐵工藝21.2.1直流鍍鐵工藝21.2.2不對稱交流-直流電鍍鐵工藝31.2.3 脈沖電流鍍鐵工藝41.2.4 電刷鍍鐵71.3 鍍鐵工藝的影響因素71.3.1 氯化亞鐵濃度對鍍層的影響71.3.2 鍍液ph對鍍層的影響71.3.3 鍍液溫度對鍍層的影響81.3.4 電流密度對鍍層的影響81.3.5 硬質(zhì)顆粒第二相對鍍層的影響91.4 鍍鐵工藝研究現(xiàn)狀及存在問題91.5實驗的研究目的及意義102 實驗內(nèi)容112.1 實驗材料112.2 實驗設備和儀器112.3實驗過程及方法122.3.1 正交實驗的分析確定122.3.2 工藝條件及

2、鍍液的配方132.3.3實驗步驟132.4性能測試152.4.1 試樣制作152.4.2 觀察金相組織152.4.3 沉積速率的測定152.4.4 測量顯微硬度162.4.5耐磨性的計算163 實驗結(jié)果及分析173.1 正交試驗各因素對耐磨性的影響173.2 正交試驗各因素對鍍層厚度的影響193.3 正交試驗各因素對耐磨性的影響224結(jié)論27致謝28參考文獻29附錄a譯文30附錄b外文文獻43前言目前，常見的用于機械零件修復和提高其表面耐磨性的方法主要有噴涂、噴焊、堆焊、鍍鎳、鍍鐵、鍍鉻等表面技術(shù)。其中鍍鐵是電解過程的一種應用，與其他常用修復方法相比較鍍鐵具有鍍速快、鍍層硬度高、耐磨性好、鍍厚

3、能力強，且提高基體表面的相容性和潤濕性，使其與鍍層結(jié)合力好，此外鍍鐵成本低、產(chǎn)生的廢液對環(huán)境的污染小等優(yōu)點，因此被成功地應用于軸類以及平面類零件因磨損等原因造成尺寸超差的修復。幾年來，在我國的修復行業(yè)中，鍍鐵已成為修復磨損件與加工超差工件的重要手段之一。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，單一成分的金屬鍍層已不能滿足使用要求，因此復合鍍變?yōu)槿藗冄芯康闹攸c。當前大多數(shù)復合鍍都是以鎳作為復合鍍層的基質(zhì)金屬，然而鎳的價格較高，且還是一種戰(zhàn)略物資，所以在復合鍍層中不使用或少使用鎳是復合鍍的發(fā)展方向之一。由于鍍鉻與基體結(jié)合能力差，對環(huán)境污染嚴重。鍍鎳、鍍鉻鍍層薄，不能磨損軸類等零件的修復要求。因此鐵的復合鍍成為發(fā)展的重

4、要方向。在金屬鍍層中添加硬質(zhì)顆粒的復合鍍工藝逐漸興起，并成為當前國內(nèi)外研究的熱點。 1 鍍鐵工藝的概述1.1 電鍍工藝原理鍍鐵是在fecl24h2o電解質(zhì)溶液中進行的，是將電能轉(zhuǎn)化為化學能，在電極上發(fā)生氧化還原反應的電化學過程。被鍍件為陰極，低碳鋼板為陽極，當電極通電以后，在電場力的作用下，帶正電荷的鐵離子移動到陰極放電區(qū)，在經(jīng)過活化狀態(tài)的陰極表面上放電。沉積成鍍鐵層。陽極表面鐵原子失去最外層的電子。變成離子狀態(tài)溶解到電解液中，補充了電解液中鐵離子的消耗。溶液中的oh-放電，并析出一定量的氧氣。cl-在鐵陽極上的析出電位遠大于鐵和oh-的析出電位，故cl-不能放電，只能起到活化陽極表面，促進陽

5、極溶解的作用1。1.2 鍍鐵工藝目前鍍鐵工藝一般采用直流電鍍鐵、不對稱交流-直流電鍍鐵和脈沖電流鍍鐵。直流電鍍鐵是指在起鍍及過渡至正常沉積的全部過程中，均采用直流電。不對稱交流-直流電鍍鐵是指在起鍍時以不對稱的交流電(不對稱比為1.3左右)起鍍，然后逐漸調(diào)節(jié)值到6左右，最終轉(zhuǎn)入直流電鍍。由于交流起鍍和交流過渡鍍均可減少濃差極化，降低鍍層內(nèi)應力，有利于提高鍍層與基體的結(jié)合強度。對稱交流活化處理和不對稱交流起鍍配合使用，可以獲得較高的結(jié)合強度。脈沖電流鍍鐵當零件作為陽極時，可除去電鍍形成的鍍層，鍍層均勻平整，有利于結(jié)合；同時，由于部分鐵溶解，而減少了濃差極化，減少氫氣的析出，鍍層內(nèi)應力低，微裂紋少

6、，與基體面結(jié)合良好2。綜合考慮，在現(xiàn)在的工業(yè)生產(chǎn)中大多數(shù)都選擇對稱交流活化處理和不對稱交流起鍍配合使用以獲得較高的結(jié)合強度。1.2.1直流鍍鐵工藝直流鍍鐵工藝一般分為起鍍、過渡鍍、正常鍍?nèi)齻€階段，起鍍時采用小電流密度，目的在于獲得應力小、硬度低、韌性好且與基體金屬結(jié)合牢固的底層;過渡鍍其目的是使鍍層應力平滑增加，防止因應力驟變而產(chǎn)生脫層;正常情況下，電流密度的選擇，應根據(jù)電解液溫度、濃度、酸度和鍍層厚度、硬度以及零件形狀來綜合考慮。直流電鍍鐵時，將被鍍零件作陰極，低碳鋼板(或鉑絲等)作陽極，兩者浸入電解液中與直流電源的正負極連接。在早期的直流鍍鐵工藝中，若低溫施鍍，雖然鍍層硬度高，但結(jié)合強度低

7、；若高溫施鍍，雖然結(jié)合強度高，但鍍層硬度低，不能滿足耐磨要求。因此，尋求一種同時兼有高、低溫直流鍍鐵優(yōu)點的直流鍍鐵工藝，乃是直流鍍鐵工藝能否獲得實際應用的關鍵。正是基于這個目的，陳立佳等人研究開發(fā)了一種無刻蝕直流鍍鐵工藝3。實驗以jwy-3032型直流穩(wěn)壓電源為電鍍電源；以q235鋼板為陽極材料；以fecl2250g/l；nacl 15 g/l；mncl210 g/l；nh4bf410 g/l；v2o50.3 g/l為鍍液。1）實驗工藝流程除銹化學除油酸洗活化直流起鍍直流過渡鍍正常直流鍍中和處理清洗。2） 施鍍工藝參數(shù)ph 0.81.0，溫度60，正常直流鍍電流密度25a/dm2。采用本研究結(jié)

8、果可實現(xiàn)無刻蝕直流鍍鐵，正常鍍電流密度為20-35a/dm2時，鍍層沉積速度可達0.20.4mm/h.。 經(jīng)實驗分析可知：鍍層表面質(zhì)量好，硬度高，通常可達hv100550570，與基體結(jié)合強度大。鍍液抗氧化能力強，鍍液在室溫下存放一個月后，無須任何處理，即可直接重新使用。鍍鐵層的顯微硬度可高達hv100563，遠高于普通純鐵的顯微硬度，從而使鍍鐵層具有相當高的耐磨性。本工藝工序少，無污染，操作簡便，無須專用電源，設備投資小，成本低4。1.2.2不對稱交流-直流電鍍鐵工藝不對稱交流-直流電鍍從六十年代開始逐步發(fā)展起來的一項新工藝。特點是借助電能利用電化學的方法，在金屬或非金屬表面獲得內(nèi)應力小，表

9、面硬度較高，耐蝕性好的鍍層的一種工藝。其優(yōu)點：電流效率高(達95%以上)；沉積速度快(比鍍鉻高10倍以上)：鍍層厚(直徑方向可達24mm)；原料來源廣(只需鐵屑和鹽酸)；成本低，約占新件的25%；廢水廢氣毒性小，基本不污染環(huán)境。同時，鍍鐵層與基體金屬結(jié)合良好，硬度高(hrc=60左右)，疲勞強度下降最小。其耐磨性與淬火的中碳鋼相近；低溫鍍鐵層與其體的結(jié)合強度一般可達2030kgf/cm2，一般都能滿足使用要求。所用設備簡單，通用性好，適合于組織專業(yè)化或?qū)I(yè)協(xié)作性生產(chǎn)。是國家大為推廣的修復工藝方法。其工藝過程：交流活化交流過渡鍍直流過渡鍍直流鍍鍍后處理。青島科技大學的付平，田華等人在研究無刻蝕鍍

10、鐵的工藝時使用了一種典型的不對稱交流-直流電鍍工藝。其原理見圖1-1。通過調(diào)壓器實現(xiàn)交流、不對稱交流、直流進行電流大小的任意調(diào)節(jié)。在降壓變壓器的二次回路上并聯(lián)了2個相互反向的整流二極管，在負半波的整流二極管一側(cè)串聯(lián)一個可變電阻。當電阻為零時，輸出的是對稱交流電。通過調(diào)節(jié)可變電阻的阻值就可以改變負半波的電流值，實現(xiàn)正、負半波電流不等的不對稱的交流電。當斷開負半波整流二極管時，就是一個半波整流電路，輸出的是直流電。這樣就可以在不斷電條件下，實現(xiàn)對稱交流電、不對稱交流電和直流電的相互轉(zhuǎn)換5。 圖1-1. 不對稱交流-直流電電源figure 1-1. asymmetric communication-

11、direct current power supply實驗材料為低碳鋼，鍍鐵液為fecl2。首先將氯化亞鐵按比例溶于水，然后用稀鹽酸調(diào)整鍍液的ph控制在0.5左右。將配制好的鍍液進行電處理，目的是產(chǎn)生亞鐵離子，保證鍍液質(zhì)量，以提高鍍層質(zhì)量和性能。陽極面積sa與陰極面積sc之比sa/sc4。采用交流電，電流密度jc=810adm-2。鍍液溫度一直控制在50以下，以免過熱加速氧化，并防止陽極鈍化。通電過程中應注意調(diào)整鍍液的ph值。通電初期，ph值應低些，約0.5左右為宜。鍍液轉(zhuǎn)綠后，ph值可控制在0.51.0。當鍍液呈透明的淺綠色，陰極板表面及邊緣的毛刺呈圓球狀并發(fā)亮，毛刺有一定的韌性后，即可斷電

12、。然后再次調(diào)整鍍液的濃度和酸度，過濾后即可備用。1.2.3 脈沖電流鍍鐵工藝隨著脈沖電鍍應用領域的不斷拓展和直流電鍍中明顯的濃差極化對電鍍造成的不利，人們越來越注意到脈沖電鍍在電鍍制品生產(chǎn)中的應用。采用直流鍍只能改變一個電參數(shù)(電流密度或電極電位)，而脈沖鍍能同時獨立改變?nèi)齻€參數(shù)：脈沖幅度、脈沖寬度和脈沖間隙。通過改變這三個參數(shù)，可以在更為寬廣的范圍內(nèi)改變電鍍條件，從而獲得性能優(yōu)良的鍍層。研究表明，在鍍液配方相同的條件下，脈沖鍍與直流鍍相比，所獲得的鍍鐵層在硬度、抗腐蝕性、表面形貌和結(jié)晶度等方面更優(yōu)良6。昆明理工大學材料與冶金工程學院的徐明麗，張正富，楊顯萬，楊勇彪，馬金寶就脈沖鍍與直流鍍對鍍

13、鐵層性能的影響做了研究，研究表明在同一電鍍液配比條件下，脈沖鍍鐵層的沉積狀態(tài)略優(yōu)于直流鍍鐵層，鍍層硬度、抗腐蝕性、表面形貌和結(jié)晶度均優(yōu)于直流鍍層。脈沖鍍與直流鍍鍍液完全相同，均采用以硫酸亞鐵(feso47h2o)為主鹽、以硫酸銨(nh4)2so4為導電鹽、以磺基水楊酸(sscs)為絡合劑的相同配比的鍍液體系。以紫銅片為基底，進行電鍍。脈沖鍍電源采用gkdm型數(shù)控雙脈沖電鍍電源：輸出波形為矩形波；輸出頻率：67hz；占空比：50%；輸入電壓：單相ac220v50hz；正負脈沖電流同期換向工作時間：tf=900ms tr=900ms；輸出電壓：正脈沖3v，負脈沖3v7。采用周期換向脈沖施鍍，不僅可

14、以使鍍鐵層的硬度提高，韌性增加，而且還可增加其與基體的結(jié)合強度，更能提高鍍層的深鍍能力和防銹能力，克服以上缺點。參數(shù)如下：1)配方及工藝條件fecl24h2o 500530 g/l溫度 2030平均電流密度jm 10 a/dm2ph值 0. 51. 02)脈沖電鍍參數(shù)周期反向脈沖波形見圖1-2，從圖1-2可以看出，周期反向脈沖正反向電流幅度是相等的，即jp+和jp-的數(shù)值相等。所以，周期反向脈沖有3個獨立的參數(shù):正脈沖持續(xù)時間tf、負脈沖持續(xù)時間tr和平均電流密度jm。正負脈沖的幅度jp+和jp-與tf，tr，jm的關系為： jm+=jp+tf/(tf+tr)(1-1) jm-=jp-tr/(

15、tf+tr )(1-2) jm+ jm-=jm(1-3) | jp+|=| jp-|(1-4)式中jm+正脈沖的平均電流密度a/dm2 jm-負脈沖的平均電流密度a/dm2圖1.2 周期反向脈沖波形figure 1.2 cycle reverse pulse周期反向脈沖鍍鐵，在正、負脈沖持續(xù)時間分別為21 ms和1 ms時，鍍鐵的沉積速度、鍍層的顯微硬度等性能均能達到理想的效果。此次試驗的平均電流密度jm為10 a/dm2，即jn=11 a/dm2(假設tf：tr=20)，求得放電時間td=1 ms，這與tr取1 ms非常相近。這樣可能負脈沖結(jié)束時，放電還未結(jié)束，削弱了負脈沖的峰電位。為了避免

16、導通時間小于充放電時間，在保持tf：tr=20的基礎上，增大tf，以觀察周期反向脈的持續(xù)時間對鍍鐵層性能的影響。3)試件試驗陰極為120 mm18 mm2 mm的低碳鋼片。用10mm50mm的紫銅圈做脈沖覆蓋能力試驗，用8mm350mm低碳鋼圓棒做拉伸試驗。4)試驗儀器鍍槽采用電鍍鐵基組合鍍層的大鍍槽；采用國產(chǎn)gkdm型多功能數(shù)控脈沖電鍍電源。利用we-100萬能油壓試驗機進行拉伸試驗；用hxd-1000tc型顯微硬度計測試鍍層顯微硬度，荷載為0. 49 n，壓痕時間15 s。結(jié)果表明：在相同的電流密度下，周期反向脈沖鍍鐵層可深入銅圈1.6 cm，鍍層強度達38 kn，硬度高、韌性好。電流效率

17、高，電沉積效率達86%，深鍍能力強8。張軍等人為了更好地進行實驗對不對稱交流-直流電鍍工藝的設備供電系統(tǒng)作了全面改進，其電路圖如圖1-1所示： 圖1-1不對稱交流-直流電源figure 1-1 asymmetric communication-dc power結(jié)果表明，設備運行可靠程度得到很大改善，此外鍍層與基體結(jié)合力、鍍層的硬度和耐磨也得到很大提高，可以說具有廣泛的推廣價值。1.2.4 電刷鍍鐵近年來國內(nèi)開展了刷鍍鐵的研究，在鍍層脆性、結(jié)合力、安全厚度等方面還不太理想，成功用于實際零部件修復很少9。1.3 鍍鐵工藝的影響因素1.3.1 氯化亞鐵濃度對鍍層的影響氯化鐵是鍍液主鹽，其濃度可在較大

18、范圍內(nèi)變化(250g/l500g/l)。隨主鹽濃度升高允許電流密度增加，沉積速度加快，但硬度下降，韌性提高，鍍層易粗糙；過低則沉積速度慢，脆性增加，硬度提高。1.3.2 鍍液ph對鍍層的影響大連董事造船公司的扈心擔針對ph對鍍層的影響進行實驗，得出以下結(jié)論：在鐵電沉積過程中一項重要的措施是保持鍍鐵溶液的ph值，因為保持必要的ph值可以保證鍍液不致水解，并能增加鍍液的導電率，使陰極極化加強。當鍍液濃度、溫度和電流密度已初步確定時，ph值就是影響鍍層質(zhì)量的主要因素。從圖1可以看到，ph值對鍍鐵層的金相組織有明顯的影響，過低的ph值(如ph=0. 6)將使鍍液中游離酸含量過高，析氫量大增，鍍層中的微

19、裂紋細小而密集;嚴重析氫還將導致鍍層早期粗糙、鍍厚能力下降，甚至結(jié)合強度明顯降低。但若游離酸含量過低，如ph值超過1. 0時，在鍍鐵過程中，隨著酸的消耗，ph值將迅速上升，在鍍液中特別是在陰極附近區(qū)域，由于h+缺乏，導致生成fe (oh )2沉淀，夾雜在鍍層中.造成鍍層脆性增大，鍍層微裂紋粗大且相對稀疏，結(jié)合強度降低，嚴重時能在鍍層與基體交界處看到分層現(xiàn)象。在ph值為0. 8時，在鍍層與基體的界面處無任何孔洞及明顯的分界線，證明鍍層與基體結(jié)合牢固。1.3.3 鍍液溫度對鍍層的影響姚盛能通過研究鍍鐵的極化曲線得到如下結(jié)論：固定電解液的酸度(ph=1.5)和電解液的溫度位差計度 (f一30c)，測

20、定不同濃度的電解液時鐵析出電位和電流密度的關系，得到鐵析出時的陰極極化曲線。從圖中可以看出，不同濃度的電解液，在圖中極化曲線的位置不相同，電解液的濃度越小，極化曲線在圖中的位置越靠近右邊。由此可見，電解液的濃度越小，鐵析出時陰極極化越大；電解液的濃度越大，則陰極極化越小。產(chǎn)生這種情況的原因，是由于電鍍時，隨著鐵的析出，陰極附近離子濃度要發(fā)生變化，對不同濃度的電解液來說，稀溶液比濃溶液離子濃度的變化相對地講要快一些。因此，濃度小的電解液比濃度大的電解液陰極極化更大一些，反映在圖中曲線的位置隨著電解液濃度的減小逐漸向右移。同時從圖中還可看出，曲線 i和曲線 i相隔較近，形狀基本上相似，說明了在電解

21、液濃度較大時，濃度的變化對陰極極化影響較小。曲線 i和曲線 ii有明顯的不同，曲線ii不僅離曲線 ii較遠，而且形狀比曲線 ii要平坦，這表明在電解液的濃度較稀時，不僅陰極極化較大，而且陰極極化度也較大，故電解液的分散能力較好，極化作用阻礙晶粒核長大，促使新晶粒產(chǎn)生所得晶粒較細。因此，如果想要獲得比較均勻的鐵鍍層，應當采用濃度較低的電解液進行電鍍。1.3.4 電流密度對鍍層的影響基礎課部的姚盛能通過實驗研究得到了電流密度與電極極化作用的關系曲線得出如下結(jié)論：電流密度越大，鐵的析出電位向負的方向移動得越多，說明電流密度越大，陰極極化也越大，當電流密度超過20a/dm2后，極化曲線變成很陡的直線，

22、這表明再增大電流密度，陰撅電極電位變化很小，出現(xiàn)這種情況，對鍍鐵是不利的，因為這時陰極極化度很小，電解液的分散能力差，電極表面上的電流密度分布極不均勻，得到的鐵鍍層非常粗糙和不均勻。因此，用簡單的鍍鐵電解液，在無攪拌和溫度不太高的情況下進行電鍍，電流密度不宜選擇太大，一般不應超過 20a/dm2。1.3.5 硬質(zhì)顆粒第二相對鍍層的影響田華、趙程、付平、許雪、馬泊江采用自制的不對稱交直流電鍍電源，在氯化亞鐵鍍鐵液中加入sic顆粒制備了fe-sic復合鍍層。研究了sic顆粒對鍍鐵層表面形貌和鍍鐵層結(jié)構(gòu)的影響，并對復合鍍層的硬度和耐磨性進行了評定。研究結(jié)果表明，加入sic顆?？梢詼p少鍍鐵層中的微裂紋

23、，提高鍍鐵層的硬度和耐磨性。試驗電源為自制的不對稱交一直流電源， 材料為低碳鋼，陰極（鍍件）尺寸為50 mm50mm，厚度為1 mm，陽極面積為陰極面積的2倍。鍍鐵液的配方和電鍍工藝參數(shù)如下：氯化亞鐵(fec124h2o) 350450 g/lph值 0.51.5起鍍溫度 2035正常電鍍電流密度 1525 a/dm2工藝流程：鍍前準備對稱交流活化處理不對稱交流起鍍過渡鍍直流鍍鍍后處理鍍層形貌觀測與性能測試結(jié)果表明：鍍鐵液中加入sic顆粒后可以有效地消除鍍鐵層中的微裂紋，并隨著鍍鐵液中sic顆粒的增加，鍍鐵層的硬度和耐磨性都有較大的提高13。1.4 鍍鐵工藝研究現(xiàn)狀及存在問題目前常見的用于機械

24、零件修復和提高其表面耐磨性的方法主要有噴涂、噴焊、堆焊、鍍鎳、鍍鐵、鍍鉻等表面技術(shù)。其中鍍鐵是電解過程的一種應用，與其他常用修復方法相比較鍍鐵具有鍍速快、鍍層硬度高、耐磨性好、鍍厚能力強，且提高基體表面的相容性和潤濕性，使其與鍍層結(jié)合力好，此外鍍鐵成本低、產(chǎn)生的廢液對環(huán)境的污染小等優(yōu)點，因此被成功地應用于軸類以及平面類零件因磨損等原因造成尺寸超差的修復。幾年來，在我國的修復行業(yè)中，鍍鐵已成為修復磨損件與加工超差工件的重要手段之一。隨著科學技術(shù)的發(fā)展，單一成分的金屬鍍層已不能滿足使用要求，因此復合鍍變?yōu)槿藗冄芯康闹攸c。當前大多數(shù)復合鍍都是以鎳作為復合鍍層的基質(zhì)金屬，然而鎳的價格較高，且還是一種戰(zhàn)

25、略物資，所以在復合鍍層中不使用或少使用鎳是復合鍍的發(fā)展方向之一。由于鍍鉻與基體結(jié)合能力差，對環(huán)境污染嚴重。鍍鎳、鍍鉻鍍層薄，不能磨損軸類等零件的修復要求。因此鐵的復合鍍成為發(fā)展的重要方向。在金屬鍍層中添加硬質(zhì)顆粒的復合鍍工藝逐漸興起，并成為當前國內(nèi)外研究的熱點14。1.5實驗的研究目的及意義鍍鐵工藝主要用于機器零部件的修復與強化，國內(nèi)早期的鍍鐵工藝主要用于農(nóng)業(yè)機械及汽車等運輸工具上使用的曲軸及其它軸類零部件，隨著鍍鐵技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)被廣泛用于修復船舶、內(nèi)燃機車、油田、礦山、冶金機械的柴油機曲軸、汽輪轉(zhuǎn)子、缸套等大型零部件。由于鍍鐵技術(shù)成本低廉，工藝方法簡單，具有良好的發(fā)展前景。強化鍍層是鍍

26、鐵工藝的一個主要研究方向。b4c具有彈性模量大、硬度高的優(yōu)點，因此是一種理想的增強材料。目前還沒有關于這方面的學術(shù)研究。 因此本文主要進行b4c粉末對鍍鐵層的組織及性能影響的研究，意在通過研究b4c對鍍鐵層對組織及性能的影響來進一步提高鍍層質(zhì)量，延長修復后的零件的使用壽命，進一步節(jié)約資金，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益，具有積極的實際工程意義和自然科學研究價值。 2 實驗內(nèi)容2.1 實驗材料本實驗選用規(guī)格為的20202mm低碳鋼板作陰陽極，其化學成分如表2-1所示：表2-1試驗材料的化學成分table 2-1 the chemical components of experiment material化學

27、成分 c mn si s p fe 含量/% 0.12 0.42 0.285 0.015 0.025 其余其它材料有20%na2co3除油液，10%的hcl除銹液，fecl2，銼刀、酒精、蒸餾水、脫脂棉、金相砂紙、拋光膏和4%的硝酸酒精。2.2 實驗設備和儀器實驗采用自制的不對稱交-直流電源，其原理圖見圖2-1。1.調(diào)壓器2.變壓器3.二極管4.二極管5.分流器6.直流電流表7.可調(diào)電阻8.直流電流表9.掛件10.鍍槽11.鍍液12.陽極板13.陰極板(鍍件)14.交流電流表圖2-1不對稱交-直流電源原理圖fig.2-1circuit diagram of asymmetry ac-dc po

28、wer supply通過調(diào)節(jié)串聯(lián)干路的滑動變阻器實現(xiàn)交、直流電流值大小的任意調(diào)節(jié)，其電流值的大小可以從安裝在線路的三塊電流表直接讀出。使用交流電流時，表6、8、14分別顯示交流電正半波、負半波和總的交流電電流大??；當使用直流電流電鍍時，電流值的大小由電流表6讀出。在原橋式整流的線路上并聯(lián)兩個相互反向的二極管，其中一個二極管串聯(lián)一個可調(diào)電阻。這樣就可以實現(xiàn)正、負半波電流單獨調(diào)節(jié)，并提供一個不對稱的交流電，即通過可調(diào)電阻的電阻值的大小實現(xiàn)交流電路的正、負電流值的不等。當可調(diào)電阻電阻值為0時，電源提供的是對稱交流電；當可調(diào)電阻在0無窮大之間變化時，電源提供的是正、負半波電流值不等的交流電；當可調(diào)電阻

29、值為無窮大時，電源提供的是半波直流電。這樣就可以實現(xiàn)在不斷電條件下無級調(diào)節(jié)正負半波電流值和交、直流電相互轉(zhuǎn)換。其他設備和儀器還有金相試樣拋光機(p-2型)、磨粒磨損機(ml-10型)、顯微硬度計(d71型)、數(shù)顯恒溫水浴鍋(hh-4型)、電子天平(ja2003n型)、掃描電鏡(ssx-550型)、金相顯微鏡(xjl-02a型)、托盤天平(upt-2型)、玻璃杯、燒杯(500ml)、膠頭滴管、直尺、外徑千分尺、ph(0.5-5.0)精密試紙、玻璃棒、鐵架臺。2.3實驗過程及方法實驗流程：鍍液配制鍍前準備酸洗水洗對稱交流活化不對稱交流起鍍過渡鍍直流鍍鍍后處理性能檢測2.3.1 正交實驗的分析確定正

30、交實驗設計是用于多因素實驗的一種方法，應用廣泛，因此本實驗也采用正交實驗的方法進行分析，實驗從鍍液成分中選擇了3個要研究的因素為b4c顆粒度、b4c濃度、fecl24h2o濃度，并對每個因素取3個水平，以考查此3個因素及其不同的添加量對性能的影響規(guī)律，詳見表2-2。表2-2 正交實驗因素表tab.2-2 table of orthogonal factors水平/因素b4c 顆粒度b4c 濃 度fecl24h2o濃 度1400#10g/l350g/l 2800#20g/l375g/l31200#30g/l400g/l根據(jù)確定的因素的含量，各正交實驗水平設計見表2-3。表2-3 各因素水平正交實

31、驗表tab.2-3 table of factors orthogonal組號b4c顆粒度b4c 濃 度fecl24h2o濃 度1400#10g/l350g/l2400#20g/l375g/l3400#30g/l400g/l4800#10g/l375g/l5800#20g/l400g/l6800#30g/l350g/l71200#10g/l400g/l81200#20g/l350g/l91200#30g/l375g/l2.3.2 工藝條件及鍍液的配方基礎鍍液為單鹽fecl2溶液，其濃度分別為350g/l、375g/l、400g/l，研究鍍液在基礎鍍液的基礎上，分別添加不同含量及目數(shù)的b4c顆粒

32、。起鍍溫度為35，正常電鍍溫度為402，正常電鍍電流密度為14 a/dm2，電鍍時間為2小時。電鍍過程ph值控制在0.51.0，極間距離為150mm。2.3.3實驗步驟1）鍍鐵液的配制本試驗是采用氯化亞鐵直接配制鍍鐵液的方法。首先將氯化亞鐵分別以350g/l、375g/l、400g/l的濃度溶于水后，溶液接近中性，然后加鹽酸(5%)使鍍液的ph值控制在0.51.0。2）鍍前準備將配制好的鍍液倒于鍍槽中，測定ph值和溫度。在入渡槽前，用千分尺測量鍍件的長度及寬度，用螺旋測微器測量鍍件的厚度；用電子天平測鍍件的質(zhì)量。測量后再將鍍件上端綁上銅絲，吊掛在金屬架上，調(diào)整鍍件在鍍液中的浸入高度，不可以使鍍

33、件接觸到鍍液槽的底部和渡槽壁，確定高度后用直尺進行測量，同時測量陽極板浸入高度，記下數(shù)據(jù)。3）酸洗水洗結(jié)束后將鍍件浸入10%稀鹽酸中23 min，進行去銹、去氧化皮處理。4）水洗鍍件的鐵銹和氧化皮清除干凈后取出，用清水沖洗干凈，并用吹風機吹干。5）對稱交流活化對稱交流活化的目的是為了去除鍍件的金屬氧化膜，使表面處于微溶活化狀態(tài)，從而使基體與鍍層金屬鍵結(jié)合，此活化是獲得良好鍍層的必要條件?；罨娏鲬鶕?jù)待鍍面積和工藝參數(shù)計算，即：交流活化電流=活化電流密度鍍件實際待鍍面積。根據(jù)鍍件的材質(zhì)，試驗中采用的活化電流密度為7adm-2，活化時間定為5 min?；罨^程中每隔2min將鍍件吊出液面看一次表

34、面色澤，當金屬光澤明顯減弱，呈現(xiàn)銀白色時為宜。在槽內(nèi)(不停電)稍待片刻便可起鍍。6）不對稱交流起鍍起鍍溫度為35。為了減小鍍層的內(nèi)應力，使鍍層與基體有足夠的結(jié)合強度，在對稱交流活化后，用不對稱交流電起鍍。起鍍的正半波電流密度與負半波電流密度應滿足下列兩個條件：1 1.3 1.9ac優(yōu)水平a1b1c3最優(yōu)組合a1b1c3計算求出正交實驗的m值和極差r。t1-t3為各因素不同水平下的磨損量之和；m1-m3為各因素不同水平下的磨損量之和的平均值；r（極差）為各因素不同水平下的磨損量的最大值與最小值之差。其結(jié)果如表3-1所示。由表3-1可看出，影響鍍層耐磨性的因素主次順序為bac，即b4c濃度影響最大

35、，b4c顆粒度的影響次之，fecl24h2o濃度對耐磨性的影響最小。根據(jù)表3-1計算出的m值以及磨損量與耐磨性成反比關系，得出各鍍鐵工藝的優(yōu)水平為a1、b1、c3、，即在b4c顆粒度為1200#，b4c濃度為30g/l，fecl24h2o濃度為350g/l，獲得的鍍層具有較高的耐磨性能。按照表3-1的數(shù)值，可以得到b4c顆粒度、b4c濃度、fecl24h2o濃度對鋼耐磨性的影響規(guī)律圖，如圖3-1、3-2、3-3所示。 圖3-1 b4c濃度對磨損速率的影響 圖3-2 b4c顆粒度對磨損速率的影響 fig. 3-1 the affect of b4c concentration on the fi

36、g. 3-2 the affect of b4c degree on the wear rate wear rate 圖3-3 fecl24h2o 濃度對磨損速率的影響 fig. 3-3 the affect of fecl24h2o concentration on the wear rate 從圖3-1可以看出隨著b4c的濃度的增加，鍍層的磨損量逐漸減少，b4c濃度為30g/l時，鍍層的耐磨性最好。這是因為電鍍沉積過程中鑲嵌在a-fe基體上的硬質(zhì)b4c顆粒起到支撐的作用，使較軟的鐵基體不受磨損，從而降低了復合鍍層的磨損量 。圖3-4和3-5為350倍電鏡下的鍍層表面顯微組織。由兩圖對比可知

37、，隨著鍍液中b4c濃度的增加，復合鍍層中b4c濃度的增加，顆粒支撐的作用增強，磨損損失量變小。 圖3-4 b4c濃度為10g/l的鍍層顯微組織 圖3-5 b4c濃度為30g/l的鍍層顯微組織 fig. 3-4 b4c concentration for 10 g/l of coating fig. 3-5 b4c concentration for 30 g/l of coating microstructure microstructure從圖3-2隨著b4c的目數(shù)增加鍍層的磨損量逐漸減少，當b4c的目數(shù)為1200#的時候鍍層耐磨最好。因為在一定范圍內(nèi)b4c顆粒越細小，分散能力及吸附能力越強

38、，鍍層的b4c含量也越多，分布越均勻，顆粒間距減小，彌散強化作用增強，鍍層的耐磨性提高。從圖3-3可以看出fecl24h2o濃度對鍍層的磨損量的影響不是很大，隨著fecl24h2o濃度的升高，鍍層的磨損量增加，鍍層的耐磨性下降，因此當fecl24h2o濃度為350g/l時鍍層的耐磨性最高。因為電解液中fe2+的質(zhì)量濃度較小時，陰極極化作用較大，陰極極化作用可以阻礙鍍鐵層中的晶核長大，促使新晶粒的產(chǎn)生，獲得的鍍層晶粒較細，起到了細晶強化的作用。所以，在電解液中fe2+的質(zhì)量濃度較小時，耐磨性會隨著鍍層晶粒變細而提高。3.2 正交試驗各因素對鍍層厚度的影響按表2-3的工藝施鍍，之后使用游標卡尺分別

39、測量九組試樣鍍層的平均厚度，其厚度值及及計算數(shù)值如表3-2所示。表3-2 各因素正交實驗結(jié)果分析tab.3-2 analysis of results of afactors組號b4c顆粒度b4c濃度fecl24h2o濃度鍍層厚度1400#10g/l350g/l0.3202400#20g/l375g/l0.3753400#30g/l400g/l0.3614800#10g/l375g/l0.3855800#20g/l400g/l0.3716800#30g/l350g/l0.33871200#10g/l400g/l0.38081200#20g/l350g/l0.34291200#30g/l375g

40、/l0.397t11.0561.0851.000t21.0941.0881.157t31.1191.0961.112m10.3520.3620.333m20.3650.3630.386m30.3730.3650.371r0.0210.00030.053主次順序cab優(yōu)水平a3b3c2最優(yōu)組合a3b3c2計算求出正交實驗的m值和極差r。t1-t3為各因素不同水平下的鍍層厚度之和；m1-m3為各因素不同水平下的鍍層厚度之和的平均值；r（極差）為各因素不同水平下的鍍層厚度的最大值與最小值之差。其結(jié)果如表3-2所示。由表3-2可看出，影響鍍層厚度的因素主次順序為cab，即fecl24h2o濃度影響最大

41、，b4c顆粒度的影響次之，b4c濃度對鍍層厚度的影響最小。根據(jù)表3-2計算出的m值，得出各鍍鐵工藝的優(yōu)水平為a3、b3、c2，即在b4c顆粒度為1200#，b4c濃度為30g/l，fecl24h2o濃度為375g/l，獲得的鍍層具有較高的鍍層厚度。按照表3-2的數(shù)值，可以得到b4c顆粒度、b4c濃度、fecl24h2o濃度對鍍層厚度的影響規(guī)律，如圖3-6、3-7、3-8所示 圖3-6 fecl24h2o 濃度對鍍層厚度的影響 圖3-7 b4c顆粒度對鍍層厚度的影響fig. 3-6 the affect of fecl24h2o concentration on the fig. 3-7 the

42、 affect of b4c degree on the deposition deposition rate rate 圖3-8 b4c濃度對沉積速率的影響 fig.3-8 the affect of b4c concentration on the deposition rate 從圖3-6可以看出，隨著fecl24h2o濃度的增加鍍層厚度先增加后減小，當fecl24h2o濃度為375g/l的時候鍍層厚度達到最大值。因為在一定范圍內(nèi)fecl24h2o濃度增加，fe2+濃度增加，微粒表面吸附fe2+的量也增加，有利于共同沉積。當fecl24h2o濃度過大時，離子間的相互作用增大，束縛帶電的b

43、4c顆粒移向陰極表面，不利于共同沉積，因此鍍層厚度減小。從圖3-7可以看出b4c目數(shù)對鍍層的鍍層厚度的影響次之，隨著目數(shù)的升高，鍍層的鍍層厚度增加，b4c目數(shù)為1200#時鍍層的厚度最大。因為這是由于b4c顆粒越細小，分散能力越強，吸附能力越好，提高了共同沉積速率，隨著fe2+被還原進入鍍層的b4c量也越多，鍍層也越厚。 從圖3-8可以看出b4c濃度的增加提高了鍍層的厚度，它的濃度為30g/l時，鍍層的厚度最大。在相同條件，濃度增高，分散到陰極的增多，脫去水膜并吸附陽離子的b4c也增多，進入雙電層最后被鐵原子覆蓋在鍍層的b4c也增多；又因b4c顆粒導電，陽離子可以在顆粒表面放電縮短了共同沉積的

44、時間，沉積量增加，因此鍍層厚度值越大。 3.3 正交試驗各因素對顯微硬度的影響按表2-3的工藝施鍍，之后使用d71顯微硬度計測量九組試樣鍍層的顯微硬度，實驗規(guī)范加載負荷為50g，加載時間10s。測量值如表3-3所示。表3-3各因素正交實驗結(jié)果分析tab.3-3analysis of results of afactors組號b4c顆粒度b4c濃度fecl24h2o濃度顯微硬度1400#10g/l350g/l4692400#20g/l375g/l4403400#30g/l400g/l4804800#10g/l375g/l4395800#20g/l400g/l4426800#30g/l350g/l52871200#10g/l400g/l43581200#20g/l350g/l58491200#30g/l375g/l660t1138913431581t2140914661539t316716681357m1463448527m2470489513m3560556452r9710875主次順序bac優(yōu)水平a3b3c1最優(yōu)組合a3b3c1計算求出正交實驗的m值和極差r。t1-t3為各因素不同水平下的顯微硬度之和；m1-m3為各因素不同水平下的顯微硬度之和的平均值；r（極差）為各因素不同水平下的顯微硬度的最大值與最小值之差。其結(jié)果如表3-3所示。由表3-3可看出，影響