防渗氮脉冲镀镍工艺研究

防渗氮脉冲镀镍 工艺 钢结构制作工艺流程车尿素生产工艺流程自动玻璃钢生产工艺2工艺纪律检查制度q345焊接工艺规程 研究 涂料涂装与电镀第3卷第6期 防渗氮脉冲镀镍工艺研究 赵林彭新赵永岗周英杰杨中东薛向欣 (1东北大学材料科学与冶金学院环境科学,辽宁沈阳,1llXr23; 2沈阳黎明航空发动机集团,辽宁沈阳,110043) 摘要本文采用正交试验法优选脉冲镀镍工艺参数.对所制备的试片拍摄扫描电镜照片考察 表面形貌;采用贴 滤纸法对镀层进行孔隙率试验;采用磨损试验机进行耐磨损性试验.并进行了防渗氮效果测 试,结果表明脉冲电 镀试片结晶细致,结合力良好,孔隙率低,耐磨性及防渗氮效果优于直流电镀. 关键词脉冲镀镍;防渗氮;工艺研究 1前言 脉冲镀镍与传统直流电镀镍相比,镀层外观致 密光滑,孔隙率低,结晶细致,镀层性能在耐蚀性,耐 磨性等方面比直流电镀所得到的镀层更优异]. 在某型航空发动机中有个别零件采用镀镍防渗 氮,为了提高镀层防渗性能,决定采用脉冲电镀替代 原有的直流电镀工艺.同时对镀镍层与基体的结合 力,硬度及耐腐蚀性都有一定的要求. 2试验方法 2.1试验设备 预镀镍,直流镀镍采用沈阳新阳光机电公司生 产的AC/DC220/5—30型电镀电源,脉冲电镀采用 SMD一60型脉冲电镀电源. 邯郸大舜电镀电源厂的 镀层的表面形貌采用中科院金属研究所的装有 OXFORD型能谱分析仪的XL一30FEG型扫描电镜 拍摄表层形貌照片. 性能测试采用的材料牌号为实际零件所采用的 1Crl1Ni2W2MoV. 2.2测试方法 角,检查镀层是否出现剥离现象;热震法将试片加热 到300?,保温1h后,放人室温水中骤冷,检查镀层 是否起泡,脱落…1. 采用贴滤纸法进行孔隙率试验.试验所采用的 溶液成分,粘贴时间及斑点特征见表1. 镀层硬度测试采用MicroHardnessTesterHX一1 型显微硬度仪测量镀层显微硬度. 表1孔隙率试验 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 [3】 孔隙率以单位面积上孔隙数表示(个/cm2). 用日本制造磨轮式磨损试验机(NUS—I_SO一1 型)进行耐磨性试验.选择60O号水磨砂纸,加载 6.4N载荷对比直流电镀与脉冲电镀的耐磨性差异. 防渗氮效果测试用材料为1Crl1Ni2W2MoV的 M27X24的螺帽进行.按优选的脉冲镀镍工艺参数 施镀后,在580~C下经37h渗氮并扩散4h处理.分 析零件的金相组织照片,对比两种电镀工艺的优缺 点. 采用锉刀法和热震法进行结合力试验.锉刀法 采用粗齿扁锉锉其端面,锉刀与镀层表面大约成45.3工艺试验 收稿日期:2005一lo_-l2 作者简介:赵林(19r79一),男,辽宁沈阳人,硕士研究生(在读),主要研究材料表面处理. 2005年11月赵林等:防渗氮脉冲镀镍工艺研究29 3.1工艺参数优选试验 由于镀镍具有容易被氧化的特点,虽然采用双 脉冲电镀可以得到表面状态较好的镀层,但由于在 脉冲时反向电流易使镍层表面氧化,影响结合力,所 以采用单向间歇式脉冲电流电镀,防止出现镀层结 合力不牢固的问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 . 选择单脉冲电镀主要的工艺参数有脉冲频率, 工作比,电流密度等. 脉冲镀镍工艺参数优选试验采用II9(3)正交 表,四因素三水平的正交试验法l4J.正交试验因素 水平表见表2,表3为正交试验结果分析表. 表2正交试验因素水平表 注:因素D为空白,未作安排. S2 表3正交试验结果分析表 ABC 试验号频率f工作比7电流密度Jm评分评分 I-lz%A/ S1200102.02.05.37.3 S22002O0.65.36.2l1.5 S3200401.05.86.512.3 s_450o101.06.57.514 S5500202.05.35.8l1.1 S6500400.69.06.715.7 S71O0o100.66.56.312.8 S81000201.07.57.014.5 S91O0o402.04.02.86.8 l31.134.14o 40.837.140.8 34.134.825.2 l(il10.3611.3713.33T=?Y =106 l(j213.612.3713.6 K011.3711.68.4 R3.2415.2 S3 S6 图1部分试样的SEM照片(1006×) S9 涂料涂装与电镀第3卷第6期 脉冲频率f由脉冲通断周期T计算而来. f=1/T=1+T(赶 T的单位为. 工作比(占空比)7为脉冲导通时间Ton占整个 脉冲通断时间T的百分比.即: 7=Ton/TX100%=(T0n+Toff)X100% 平均电流密度Jm和峰值电流密度JD,工作比7 之间存在如下关系: Jp:Jm,o 正交试验评分 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 :目视检查镀层表面状态,满 分为1O分;分析镀层微观的扫描电镜照片(图1), 按镀层微观晶粒大小评分,满分为1O分.然后采用 综合评分法,即将目视评分成绩与微观评分成绩相 加为总分.选择合适的工艺参数进行性能测试试 验. 如图1所示,s2,s9试样表面镍原子结晶粗大, 单个晶粒的尺寸在10pan一15p_m左右,晶粒与晶粒 之间相互交错,有明显的缝隙.此种结构具有较高 的内应力,在高温下应力会释放导致镀层出现微裂 纹.s3,s5试样镍原子结晶呈树枝状结构,无明显 的晶粒.表面有些区域凹凸不平.S6,s7试样表面 为ltan左右的镍结晶组成,结晶颗粒比较均匀,表 面层中没有明显的缝隙. 根据极差的大小可知,影响因素的主次顺序为: C>A>B,即电流密度>频率>工作比. 根据直观分析计算可知,最佳水平组合为:频率 为500Hz,工作比为2o%,电流密度为0.6A/dm2或 1.0A/din2. 3.2正交试验结果讨论 通过正交试验可以知道,决定脉冲镀镍的工艺 参数中,合适的电流密度是最重要的决定因素.根 据传统的电化学成核和生长理论[5]5,晶核形成速率 公式为: J=Kt唧[] 式中:Kl一速率常数; b-_由晶粒2D尺寸决定的颗粒几何因素; r晶粒团中一个原子所占据的面积; r指定的边界能量; r_发生电子交换的离子数; e__交换的电子数; k--Boltunan常数; 点沉积的过电位. 过电位由Tafel公式决定: Tl=a+blogi 式中:a,b-_常数; 卜电流密度. 依据上述公式可知,采用较大的电流密度,可以 得到较高的过电位.进而,成核速度增加,可以产生 更均匀的结构和更好的晶体颗粒. 结晶理论认为,电沉积的结晶过程一般可以分 为两步:第一步为镍离子的放电和析出镍原子.第 二步可以分为两个过程:镍原子形成晶粒和晶粒的 长大;如果此时的晶粒长大速率不足以满足原子的 产生时,产生新的结晶核心. 表面形核的临界尺寸r是由过电位所决定的: —一生一’一 刎一ze(a+blogi) 公式表明提高电沉积的过电位可以加快晶粒成 核的速度,减小晶粒的尺寸.在脉冲电镀时,电流导 通Ton时间内,峰值电流JD一般是直流电镀时平均 电流的数倍.可以产生高沉积过电位,有利于均匀 形核,减小晶粒尺寸. 如果不采用强烈搅拌,阴极附近的传质主要是 靠扩散传质.当扩散传质作为电化学反应的唯一控 制步骤时,降低扩散层厚度可以提高峰值电流密度, 降低浓差极化.浓差极化对结晶细致没有作用,只 有电化学极化影响晶粒的致密度. 在脉冲电镀中,阴极附近的扩散层厚度包括脉 冲扩散层和稳态扩散层.脉冲的频率,工作比 7决定了脉冲电镀时的导通和关断的时间长短.脉 冲的频率f=1+,其中脉冲宽度T0是金属离 子在阴极上获得电子被还原为金属而析出所用的时 间,它是界面金属离子不断消耗的过程,而脉冲关断 时间T0电流被切断的时间,阴极附近在导通时间 消耗掉的金属离子,由于扩散和对流传质得到补充, 使溶液恢复平衡. 脉冲扩散层的厚度与扩散系数D和脉冲持 续时间T伽有如下关系: =~/=DTon 20O5年11月赵林等:防渗氮脉冲镀镍工艺研究31 可以看出,脉冲扩散层厚度.与脉冲持续时间 T0n的平方根成正比.在稳态扩散层里金属离子的 浓度实际上是处在动态平衡状态,它不随脉冲波动 而周期性的改变.在脉冲扩散层内,金属离子的浓 度则是随时间的变化而周期性的变化着.所以选择 的频率其实控制了金属离子的消耗和补充,扩散层 的形成和消除的过程. 工作比7可以影响电源导通时间Ton和峰值电 流密度J..当工作比7变小时,电场和相对的吸附 离子浓度增加,临界核半径减小,成核率增加,在一 定脉冲时间内形成核的数目也增加.但如果工作比 7选择非常小的话,会使峰值电流J.变大,超过某一 极限值时,会使还原出的金属离子来不及在有限的 阴极表面形核或进入晶格,过量的金属离子悬浮在 阴极附近.工作比7选择过小同时会降低脉冲电镀 过程中的导通时间,影响沉积速率. 与直流电镀相比,电镀层的质量是靠控制阴极 电流密度或电极电位来保证的.在允许的范围内, 电镀时电流的分布是静态的,使得本来存在的厚度 分布的不均匀性更加增大.而脉冲电镀过程中可控 制的变化量有多个.而且参数之间是彼此相互依存 的,相互联系的.在确定一个参数时必须考虑对其 他参数的影响. 只有综合考虑所有的因素才会选择出最优化的 工艺参数,制备出满足生产要求的合格镀层. 4性能测试 4.1结合力试验 经过锉刀法和热震法试验,镀层均未出现剥离, 起泡现象.表明镀层结合力良好. 从脉冲电镀的机理分析,当脉冲电镀工作比为 20%时,金属离子在脉冲持续时间里将以比直流高 出5倍的速度注入基体表面.从而使镀层与基体金 属之间紧密贴合,增加结合强度.所以脉冲镀镍层 的结合力要优于直流镀镍层. 4.2镀层显微硬度及耐磨损性能 分别测定脉冲电镀试样和直流电镀试样的显微 硬度值,并求得平均值(见表4). 表4直流电镀与脉冲电镀试样 镀层显微硬度对比表 试样编号塑譬 微I-IV24282.926663..3065 255A323.6HV硬度值, 镀层的耐磨损性能测试时,首先用丙酮将镀层 表面擦拭干净,热风把试样表面吹干,测定并 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 试 样初始重量.进行磨损试验时,每次100转,保证试 样同一摩擦面始终与新鲜砂纸表面接触.每次磨损 试验后,用毛刷首先把摩擦表面打扫干净,再用丙酮 将试样表面擦净,吹干,测定并记录试样重量,试样 磨损试验前后的重量变化为试样每百次磨损失重. 每个试样磨损到1900转为止,利用三个试样最 终的失重平均值比较两种电镀层的耐磨损性能的优 劣.(见表5) 表5直流电镀与脉冲电镀试样 镀层耐磨性对比表 试样编号塑譬罢蔓 从表4,表5中试验数据可见,脉冲电镀试样的 平均显微硬度高于直流电镀试样,镀层耐磨性也高 于直流电镀. 产生这种结果是因为脉冲电镀主要是利用电流 (或电压)脉冲的张弛增加阴极的活化极化和降低阴 极的浓差极化,从而改善了镍镀层的晶体结构.脉 冲镀镍层由均匀的镍晶粒组成,表面平整光滑,使得 耐磨性增加. 4.3孔隙率测试 脉冲电镀与直流电镀试样镀层厚度约25tma,经 贴滤纸法测试后采集图样.从试验结果分析,脉冲 电镀镀层孑L隙数明显少于直流电镀.这是因为脉冲 电镀电源提供的是一种具有一定通断比例的变化电 流.不断重复的周期脉冲电流主要用于金属离子的 还原,减少了其它副反应(如析氢反应)的发生,减少 了镀层出现气孔的几率. 同时,脉冲电源可提供相当大的瞬间电流,以实 现极高过电位下的电沉积,沉积层晶粒还未来得及 32涂料涂装与电镀第3卷第6期 直流电镀 . 声 图2防渗氮效果测试显微照片(500×) 长大,导通时间已经结束.所以镀层的晶核形成率 非常高,结晶细致,镀层孔隙率低(见表6). 表6孔隙率对比试验 4.4防渗氮效果测试 直流和脉冲电镀镍层渗氮后金相照片如图2所 示,镍层平均厚度均约25tan.从图中可以看出,脉 冲电镀界面明显较直流电镀的界面连续,脉冲电镀 层的防渗氮效果优于直流电镀层. 5结论 (1)通过正交试验确定了脉冲镀镍最佳工艺参 数:频率500I-lz,工作比2o%,电流0.6A/dm2一1.0A/ 脉冲电镀 dm2.讨论了脉冲镀镍的影响因素. (2)采用如上所述脉冲镀镍工艺参数,得到的镀 镍层结晶细致,孔隙率低,耐蚀性,耐磨性及防渗氮 效果明显优于直流镀镍层. 参考文献 [1]朱瑞安,郭振常.脉冲电镀(M],北京:电子工业出版 社 [2]张允诚.胡如南.向荣,电镀手册(M],北京:国防工业 出版社,1999.6 [3]张景双.石金声,石磊等.电镀溶液与镀层性能测试 [M],北京:化学工业出版社,2OO2.1 [4]何少华,文竹青,娄涛等.试验设计与数据处理(M],北 京:国防科技大学出版社 [5]MPata~vic,MSchlesinger,FundamentalsofElectrochemical Dcpesilion[J],ElectrochemicalSocietySeries,1998 TheStudyofPulsePlatingforProtectingNitriding ZhaoPengXinZhaoYonggangZhouYing~Yang;hongdongXueXiangxin (1Northeastemuniversity,materialscienceandmetallurgyimtiute,Shenyang,110023; 2Liningaerialenginegroupcompany,Shenyant,,110043) AbstractTheparametersofpulseplatingnickelweredeterminebytheL9(3)~rthorhombicexperiment. TheconfolTlla. fionofsurfacewerecheckedbyapphngmetallngraphicexaminationtothesampl’;thecavityofthesampl ewereexperi. mentedbythemethodofstickingfilterpapers;theexperimentationforresistingi,Jrasionwereconductby theabradetest machine.andtesttheeffectforprotectingnitIid.Theresultshowthatthecrystalofthesampleobtainedbyp ulseplating WaSdense,thecohesiveforceWaSlarge,thecavityWaSlow,theperformanceforresistingabrasionandp rotectingnitriding wasmuchbetterthanDCplating. Keywordspulseplatingnickel;protectingnitriding;researchoftechnics l譬??f.?..一毋,,—?