根據(jù)經(jīng)典電化學(xué)理論,金屬離子在電極表面放電生成的吸附原子形成高為h,臨界半徑為rc的二維晶核時,自由能變化為:

式(1)中:E為界面能,Z為放電離子攜帶的電荷數(shù),e為電子電荷,ηk為陰極過電位。式(2)中:K1,K2為常數(shù)。

由式(1),式(2)可知:過電位越大,則晶核的臨界尺寸越小,所以生成晶核的幾率或核的生成速率與過電位有直接關(guān)系。因此,隨著過電位的增加,成核速率增大,晶核數(shù)目增多。這就是在高的電流密度下能獲得結(jié)晶細(xì)致的鍍層的根本原因。在電鍍過程中,當(dāng)峰值電流密度大于100A/dm2時,隨著電流密度的提高,鍍層晶粒尺寸也相應(yīng)增大。分析表明:當(dāng)電流密度超過100A/dm2時,陰極區(qū)域金屬離子沉積很快,在陰極和溶液界面中因還原反應(yīng)而消耗的金屬鎳離子不能得到及時補(bǔ)充;電流密度的提高只會造成濃差極化加劇,沒有足夠的金屬離子被還原,從而使晶粒生長速率大于晶核的形成速率,結(jié)果造成鍍層晶粒尺寸隨電流密度增大而增大的現(xiàn)象。研究表明:電流密度對鍍層的表面影響比較大,當(dāng)電流密度過低或過高時很難獲得致密性好的納米晶鍍鎳層。在電鍍層形成初期,優(yōu)先生成的晶核不僅為后續(xù)鎳離子提供了核心,它還會造成陰極表面微觀上的不平度,在尖端荷電效應(yīng)作用的影響下,致使突起處鍍層的沉積速率明顯高于平坦處的沉積速率。因此,在相對較強(qiáng)的電場作用下,優(yōu)先成核處的鍍層生長速率進(jìn)一步加快。而在新形成的陰極表面同樣會由于空間上沉積速率的差異,發(fā)生類似的正反饋過程。最終,每個結(jié)晶核心在空間中長成胞狀和樹狀多晶單元。從沉積層表面看,就是多個多晶單元的突起。當(dāng)兩個多晶單元在平行于鍍層表面方向上相遇時,由于互相阻礙而停止生長;但在多晶單元之間留下間隙,造成鍍層微觀結(jié)構(gòu)上的疏松。

2.2脈沖電流密度對表面形貌的影響

圖3為鍍液流速為7.8m/s,噴嘴移動速率為10mm/s,電源占空比為1∶2的條件下,脈沖峰值電流密度分別為70A/dm2,100A/dm2和140A/dm2時的電鍍層的形貌圖。掃描層數(shù)為300層。由圖3可知:脈沖電源作用下的鍍層表面均由納米晶微粒組成,大部分晶粒尺寸在50~60nm之間。隨著脈沖峰值電流密度的增大,鍍鎳層表面的平整性得到了明顯的改善。當(dāng)脈沖峰值電流密度為70A/dm2時,鍍鎳層表面形成了許多分布均勻的大微粒(與直流相比);當(dāng)脈沖電流密度為100A/dm2時,鍍鎳層表面由較明顯的微粒組成,微粒大小不均;當(dāng)脈沖電流密度增大到140A/dm2時,鍍鎳層表面微粒細(xì)小,鍍鎳層十分平整。這表明在脈沖電流條件下,沉積相同厚度時,使用高的峰值電流密度進(jìn)行沉積易于獲得具有較好表面質(zhì)量的鍍層。

2.3激光重熔對直流納米晶鍍層形貌的影響

對噴射電鍍層進(jìn)行激光重熔處理后,噴射納米晶鎳鍍層的整體形貌,如圖4所示。激光重熔層的熔道與預(yù)置鍍層的邊界整齊,鍍層的內(nèi)部組織均勻、致密,沒有明顯的缺陷,鍍層與基體結(jié)合良好。  

從圖4可以清楚發(fā)現(xiàn),激光重熔后試樣的橫截面明顯存在三個區(qū)域:#p#分頁標(biāo)題#e#熔融區(qū)、熱影響區(qū)和基體。熱影響區(qū)又可以分為相變硬化帶和軟化帶。在45鋼的相變硬化帶內(nèi),由于激光加熱后的自身快速冷卻,生成的奧氏體和馬氏體晶粒度非常細(xì)小,材料的硬度和耐磨性均有一定的提高;軟化帶的寬度和光斑邊緣能量分布的陡峭程度和鋼本身抗回火能力有關(guān),這個區(qū)的硬度比相變硬化帶的小,但仍然大于基體的。激光重熔使得鍍層經(jīng)歷了加熱熔化—冷卻凝固的過程,而且在快速的冷卻過程中,隨著固液界面向前推移,生長速率越來越快,晶粒的尺寸也變得越來越細(xì)小,促進(jìn)了等軸晶的形成。激光重熔后鍍層組織結(jié)構(gòu)的變化是由于激光快速加熱和快速冷卻的加工特點(diǎn)所引起的。在熔池再結(jié)晶過程中,熔池底部有極大的成分過冷,結(jié)晶非常迅速。當(dāng)激光掃描照射試件時,鍍層從熔化狀態(tài)急劇冷卻,晶核來不及長大,在重熔層中形成致密、細(xì)小的晶體結(jié)構(gòu)。因此,提高了噴鍍層的致密度。

 2.4鍍層的顯微硬度

為了有效地說明不同的加工過程對鍍層的性能的影響,對鍍層的顯微硬度進(jìn)行了對比分析。表1為基體、噴射電鍍層以及激光重熔鍍層的顯微硬度。可以看出:顯微硬度由基體材料時的2823MPa,經(jīng)過噴射電鍍后增加到5975MPa,通過激光重熔后達(dá)到6582MPa,顯微硬度得到較大提高。

由于激光束具有高能量密度,使鍍層和基體表面機(jī)械結(jié)合熔化成冶金結(jié)合,提高其結(jié)合強(qiáng)度。此外,激光熔化層是非平衡相,由化合物與高位錯密度的過飽和固溶體組成,鍍層在激光掃描后大溫度梯度的快速冷卻凝固中得到了細(xì)晶組織,使沉積層更加致密無孔。所以,與噴射鍍層相比,激光重融后的鍍層顯微硬度也相應(yīng)提高。

3結(jié)語

將噴射電鍍與激光重熔結(jié)合起來用于金屬材料表面制備納米晶鍍層,以實現(xiàn)對金屬材料的表面強(qiáng)化是一種新的工藝技術(shù)。該技術(shù)具有對基體材料無限制,可以在廉價的基體表面獲得性能優(yōu)異的表面鍍層,并可消除噴鍍層的層狀結(jié)構(gòu)、大部分孔隙和氧化物夾雜等優(yōu)點(diǎn)。形成的金屬鍍層均勻、致密、耐磨,且導(dǎo)電性能優(yōu)異。