閆 帥，王元?jiǎng)?，?智，趙子云，吳蒙華*

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

高頻脈沖電源參數(shù)對(duì)Fe-ZrO2復(fù)合電沉積鍍層納米含量的影響

閆 帥，王元?jiǎng)偅瑢?智，趙子云，吳蒙華*

（大連大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 大連 116622）

為改善低溫鍍鐵工藝鍍層的耐磨損耐腐蝕性能，提高鍍層表面硬度，以GKDM系列高頻脈沖電鍍電源為實(shí)驗(yàn)復(fù)合電沉積工藝電源并配合超聲-機(jī)械攪拌制備納米Fe-ZrO2鍍層。研究了高頻脈沖電源參數(shù)：峰值電流導(dǎo)通（TON）、關(guān)閉（TOFF）時(shí)間；一組正脈沖（TF）負(fù)脈沖（TR）的工作時(shí)間對(duì)鍍層表面納米含量的影響。結(jié)果表明當(dāng)GKDM系列高頻脈沖電源TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時(shí)，納米沉積分布均勻致密，質(zhì)量分?jǐn)?shù)高。

低溫鍍鐵；GKDM系列高頻脈沖電源；復(fù)合電沉積；峰值電流；正脈沖；負(fù)脈沖

0 前言

常用低溫氯化物鍍鐵按照電流的波形可以分為直流鍍鐵和不對(duì)稱交流—直流電鍍鐵[1]。在實(shí)驗(yàn)中采用GKDM系列高頻脈沖電流，反向脈沖電流明顯改善了鍍層的厚度分布以利于納米均勻沉積[2]，并溶解了陰極鍍層上的毛刺而整平；反向脈沖電流溶解了陰極上多余的鍍層，從而使陰極表面附近金屬離子濃度和納米粒子濃度迅速得到回升，這利于隨后的正向脈沖進(jìn)行電沉積；使用高的脈沖電流密度使晶核的形成速度得以加快，故可以得到結(jié)晶更加細(xì)致，光亮的鍍層[3]；反向脈沖電流可以除去電鍍過(guò)程中沉積的氫，鍍層中的氫含量大大減少，故可以有效地消除或減少內(nèi)應(yīng)力；反向脈沖電流使擴(kuò)散層的實(shí)際厚度減薄，陰極電流效率提高，納米沉積速度加快[4]。雙脈沖電鍍可使鍍層更加均勻、致密、光亮、孔隙率低、純度密度更高，耐溫、耐磨、防腐、韌性、導(dǎo)電率等性能指標(biāo)進(jìn)一步提高，并可大幅度節(jié)約稀貴金屬（約20%～30%），節(jié)約添加劑約 50%～80%。綜上所述，GKDM 系列高頻脈沖電源比以往交直流鍍鐵工藝相比，納米沉積速度快，含量高，分布均勻，可達(dá)到提高產(chǎn)品質(zhì)量、增產(chǎn)節(jié)約的效果[5]。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)采用Q235鋼板作為陰極材料，低碳鋼作為陽(yáng)極材料，試樣規(guī)格為35 mm×20 mm×2 mm。

1.2 鍍層的制備

本試驗(yàn)采用氯化物低溫鍍鐵工藝，其鍍液成分及工藝條件為：四水氯化亞鐵300 gL、硫酸亞鐵100 gL、氯化鈉16 gL、抗壞血酸2 gL、十二烷基硫酸鈉0.03 gL、納米氧化鋯5～15 gL、溫度35 ℃、超聲功率200～300 W[6]、機(jī)械攪拌120 r/min。

所配制溶液呈綠色，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，用雷磁牌電導(dǎo)率儀（DDSJ-318）測(cè)試溶液PH值，并用10%稀鹽酸進(jìn)行PH值調(diào)整，正向平均電流密度8～16 A/dm2，負(fù)向平均電流密度0.5～1.5 A/dm2，TF/TR=10[7]。鍍件從鍍槽取出后，以防生銹需先大量清水沖洗，之后再中和處理，之后浸機(jī)油[8]。

1.3 鍍層測(cè)試

采用EVO18型掃描電鏡觀察鍍層表面形貌并用掃描電鏡附帶的能譜儀檢測(cè)鍍層表面納米分布和含量，采用TH763顯微硬度儀測(cè)試鍍層顯微硬度及低倍表面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 GKDM系列高頻脈沖電鍍電源參數(shù)

GKDM系列高頻脈沖電鍍電源參數(shù)如圖1所示：

圖1 GKDM系列高頻脈沖電鍍電源參數(shù)

圖中，TON：峰值電流導(dǎo)通時(shí)間； TOFF：峰值電流關(guān)斷時(shí)間；T：一個(gè)脈沖通斷周期T=TON+TOFF；TF：一組正脈沖工作時(shí)間TF=NT(n≥1)；TR：一組負(fù)脈沖工作時(shí)間TR= nT(n≥1)；TF+TR：正負(fù)脈沖換向的一個(gè)周期；IM：峰值電流；通斷比：D=TON/TOFF；占空比：DC=TON/T。

峰值電流和平均電流的換算

2.2 峰值電流導(dǎo)通（TON）、關(guān)閉（TOFF）時(shí)間對(duì)鍍層質(zhì)量的影響

實(shí)驗(yàn)選取T=100×0.1 ms，選擇三組TON和TOFF，第一組TON=10×0.1 ms，TOFF=90×0.1 ms；第二組TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms；第三組TON=30×0.1 ms，TOFF=70×0.1 ms。三組鍍片采用EVO18型掃描電鏡觀察鍍層表面形貌并用掃描電鏡附帶的能譜儀檢測(cè)鍍層表面納米分布和含量，如圖2。

通過(guò)對(duì)三組數(shù)據(jù)的對(duì)比，當(dāng)TON和TOFF參數(shù)的設(shè)置發(fā)生變化時(shí)，鍍層表面晶粒尺寸隨之發(fā)生有規(guī)律的變化，如圖3。

圖2 三組鍍件表面掃描電鏡圖

圖3 鍍層晶粒尺寸隨脈沖占空比變化曲線

當(dāng)TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms，占空比時(shí)20%時(shí)，鍍層晶粒有較大細(xì)化。隨之鍍層表面納米分布和含量也隨之發(fā)生相應(yīng)變化，如圖4。

圖4 三組鍍件能譜儀面掃納米氧化鋯分布圖

如圖4所示，TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時(shí)，鍍層表面納米氧化鋯分布均勻密集。圖4中第三組納米氧化鋯分布圖，納米氧化鋯含量沒(méi)有第二組高，且分布不均勻。第一組納米氧化鋯含量較少。

在實(shí)驗(yàn)中GKDM系列高頻脈沖電流，反向脈沖電流明顯改善了鍍層的厚度分布以利于納米均勻沉積,反向脈沖電流溶解了陰極上多余的鍍層，從而使陰極表面附近金屬離子濃度和納米粒子濃度迅速得到回升，這利于隨后的正向脈沖進(jìn)行電沉積,反向脈沖電流可以除去電鍍過(guò)程中沉積的氫，鍍層中的氫含量大大減少，故可以有效地消除或減少內(nèi)應(yīng)力，反向脈沖電流使擴(kuò)散層的實(shí)際厚度減薄，陰極電流效率提高，納米沉積速度加快。

當(dāng)TON=10×0.1 ms，TOFF=70×0.1 ms時(shí)，正向脈沖作用時(shí)間過(guò)短，總正向平均電流小，影響納米沉積的速率，相同時(shí)間內(nèi)納米沉積量少。當(dāng)TON=30×0.1 ms，TOFF=70×0.1 ms時(shí)，負(fù)脈沖總用時(shí)間減少，陰極表面附近金屬離子濃度和納米粒子濃度回升較慢，使之后的正向脈沖電沉積中陰極附近納米含量不足，鍍層中納米含量偏少，如表1。

表1 三組鍍件表面元素重量、原子百分比

當(dāng)TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時(shí)，鍍層表面納米氧化鋯含量達(dá)到最大值4.61%，鍍層表面納米氧化鋯含量會(huì)隨著占空比的逐漸升高而呈現(xiàn)出先增加后減少的趨勢(shì)。

3 結(jié)論

（1）當(dāng)TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時(shí)，鍍層晶粒細(xì)化明顯；

（2）當(dāng)TON=20×0.1 ms，TOFF=80×0.1 ms時(shí)，鍍層表面納米氧化鋯分布均勻致密，且質(zhì)量含量達(dá)到最大值4.61%。

[1] Schlesinger M, Paunovic M. 現(xiàn)代電鍍[M]. 北京: 北京化學(xué)工業(yè)出版社, 2006.

[2] Tohru Watanabe. 納米電鍍[M]. 北京: 中國(guó)化學(xué)工業(yè)出版社, 2007.

[3] 趙廣宏, 何業(yè)東. 脈沖參數(shù)對(duì)等離子電沉積鎳鍍層結(jié)構(gòu)和性能的影響[J]. 材料熱處理學(xué)報(bào), 2012, 33(8): 4.

[4] 張立德, 牟季美. 納米材料和納米結(jié)構(gòu)[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2001.

[5] 候進(jìn). 淺談脈沖電鍍電源[J]. 電鍍與環(huán)保, 2001, 25(3): 4.

[6] 夏法鋒, 吳蒙華, 賈振元. 超聲波對(duì)納米Ni-TiN復(fù)合鍍層的影響[J]. 功能材料, 2008, 39(4): 5.

[7] 夏法鋒, 賈振元, 吳蒙華. 脈沖電沉積納米Ni-TiN復(fù)合鍍層[J]. 材料科學(xué)與工藝, 2007, 15(6): 5.

[8] 許喬瑜, 劉芳. 不對(duì)稱交流-直流電鍍Fe-納米ZrO2復(fù)合鍍層工藝的研究[J]. 材料保護(hù), 2007, 40(3): 5.

Effects of High Frequency Pulse Power Parameters of Fe-ZrO2Composite Electrodeposition Coating Surface Nano Content

YAN Shuai, WANG Yuan-gang, NING Zhi, ZHAO Zi-yun, WU Meng-hua*
(College of Mechanical Engineering, Dalian University, Dalian 16622, China)

In order to improve the corrosion and wear of low-temperature iron plating coatings and improve the surface hardness of the coating, GKDM series high-frequency pulse plating power as the experimental composite electrodeposition process power, and with ultrasound - mechanical stirring Nano Fe-ZrO2coating was made. the parameters of High-frequency pulse power were studied: peak current conduction (TON) closing (TOFF) time; a positive pulse of working (TF) time, a negative pulse of working time impacting on the content of the coating surface nano. The results showed that when TON of the GKDM series high frequency pulse power was 20×0.1 ms, TOFF was 80×0.1 ms, Nano Deposition evenly distributed and dense, quality scores was high.

low-temperature iron plating coatings; GKDM series high-frequency pulse plating power; composite electrodeposition process; peak current; positive pulse; negative pulse

TG249.9

：A

：1008-2395(2013)06-0006-03

2013-11-15

國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51005027）；遼寧省高等學(xué)校杰出青年學(xué)者成長(zhǎng)計(jì)劃項(xiàng)目（LJQ2012106）；遼寧省教育廳一般項(xiàng)目(L2012446)。

閆帥（1985-），男，碩士研究生，研究方向：表面強(qiáng)化技術(shù)—梯度功能鍍層。

吳蒙華（1963-），男，博士，教授，機(jī)械工程學(xué)院院長(zhǎng)，研究方向：特種加工微細(xì)電化學(xué)復(fù)合加工。