Fe-B4C复合镀层性能优化的研究

习小慧， 王金亮， 张 禹

（1.东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819；2.辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

Fe-B4C复合镀层性能优化的研究

习小慧1， 王金亮1， 张 禹2

（1.东北大学 材料与冶金学院，辽宁 沈阳 110819；2.辽宁工程技术大学 材料科学与工程学院，辽宁 阜新 123000）

通过电化学沉积工艺，利用正交实验设计方法，选取B4C微粒的直径、B4C的质量浓度及FeCl2·4H2O的质量浓度为3个因素，以镀层的显微硬度为评价标准，研究了铁基复合镀层的组织性能，并确定了获得复合镀层的最佳工艺参数。结果表明：各因素作用的主次顺序为B4C的质量浓度＞B4C微粒的直径＞FeCl2·4H2O的质量浓度；在B4C微粒的直径10μm，B4C 30g/L，FeCl2·4H2O 350g/L的条件下，获得的镀层具有较高的显微硬度。

镀铁；复合镀层；B4C微粒；显微硬度；正交实验

0 前言

低温镀铁具有镀速快、镀层硬度高、耐磨性好、成本低、产生的废液对环境的污染较小等优点［1－2］，在机械零部件的修复方面有着广泛的应用［3］。

随着科学技术的发展，单一金属镀层已不能满足日益增长的工业生产需求，为此，复合镀层逐渐成为人们研究的热点。田华等［4］将硬质微粒SiC加入镀铁液中，最终得到高硬度、高耐磨性的Fe-SiC复合镀层，改善了镀铁工艺。硬质微粒B4C具有密度低、弹性模量高、耐磨及耐蚀等优点［5］，是比较理想的增强材料。本实验研究了硬质微粒B4C对复合镀铁层组织性能的影响。

1 实验

1.1 实验材料

采用不对称交－直流镀铁电源，双阳极单阴极电极，并辅以机械搅拌机。试样为20mm×20mm×2 mm的低碳钢板，其主要成分的质量分数为：C 0.12%，Mn 0.42%，Si 0.285%，S 0.015%，P 0.025%，Fe余量。

1.2 实验过程及方法

1.2.1 工艺流程

镀前处理（酸洗—→清洗—→吹干）—→对称交流活化处理—→不对称交流起镀—→过渡镀—→直流镀—→镀后处理—→镀层形貌观测与性能测试

1.2.2 正交实验

本实验采用氯化物低温镀铁工艺，利用正交实验对工艺进行优化。选取B4C微粒的直径、B4C的质量浓度及FeCl2·4H2O的质量浓度为3个因素，以镀层的显微硬度为评价标准，采用L9（33）进行正交实验优化。

1.3 性能测试

用71型显微硬度计测量镀层的显微硬度，载荷为50g，加载时间设定在10s。用XJL-02A型金相显微镜观察镀层表面和横截面的组织结构，并测量镀层的厚度及均匀性。

2 结果与讨论

2.1 镀层的显微硬度

正交实验结果表明：各因素作用的主次顺序为B4C的质量浓度＞B4C微粒的直径＞FeCl2·4H2O的质量浓度。在B4C微粒的直径10μm，B4C 30 g/L，FeCl2·4H2O 350g/L的条件下，获得的镀层具有较高的显微硬度。

研究了B4C的质量浓度、B4C微粒的直径、FeCl2·4H2O的质量浓度对镀层显微硬度的影响，实验结果，分别如图1、图2、图3所示。

图1 B4C的质量浓度对镀层显微硬度的影响

图2 B4C微粒的直径对镀层显微硬度的影响

图3 FeCl2·4H2O的质量浓度对镀层显微硬度的影响

由图1可知：随着B4C的质量浓度的增加，镀层的显微硬度逐渐增大；当B4C的质量浓度为30 g/L时，镀层的显微硬度达到最大值。B4C微粒弥散分布在镀层内，镀件在外力作用下发生弹塑性变形时，晶内运动的位错与B4C微粒相遇，致使位错运动受阻进而提高了镀层的显微硬度。这种微粒强化作用与微粒间距成反比［6］。随着B4C的质量浓度的增加，镀层中B4C的沉积量增大，微粒间距减小，镀层强度提高，从而使镀层的显微硬度增大。

由图2可知：随着B4C微粒的直径的增加，镀层的显微硬度减小。因为弥散强化程度与第二相的尺寸和分布有关，微粒尺寸越细小，分布越均匀，屈服强度就越高。当B4C微粒的直径为10μm时，镀层微粒分布最均匀，微粒间距最小，因此，镀层的显微硬度最大。

由图3可知：随着FeCl2·4H2O的质量浓度的增加，镀层的显微硬度逐渐减小；当FeCl2·4H2O的质量浓度为350g/L时，镀层的显微硬度最大。电解液中Fe2＋的质量浓度较低时，阴极极化作用较大，阻碍镀层晶粒长大，促使新晶粒产生，获得的镀层晶粒较小，起到了细晶强化作用［7－8］。

2.2 镀层的金相组织

图4为试样2（B4C微粒的直径30μm，B4C 20 g/L，FeCl2·4H2O 375g/L）、试样5（B4C微粒的直径20μm，B4C 20g/L，FeCl2·4H2O 400g/L）、试样8（B4C微粒的直径10μm，FeCl2·4H2O 350 g/L，B4C 20g/L）放大350倍时的金相组织。

图4 不同试样的金相组织

由图4可知：在机械搅拌下，B4C微粒均匀地分布在镀层中；且随着B4C微粒的直径的减小，B4C微粒的分布变得均匀、沉积量变大。在直流电镀过程中，电流大小不变，基体单位时间内获得的铁原子数相等，阴极板单位面积内获得的铁原子数也相等。由于镀铁液中B4C微粒分布均匀，B4C微粒越小，被Fe2＋撞击的概率越相近。因此，B4C微粒越小，其在镀层中的分布越均匀、沉积量越大。

3 结论

本文利用正交实验设计方法，选取B4C微粒的直径、B4C的质量浓度及FeCl2·4H2O的质量浓度为3个因素，以镀层的显微硬度为评价标准，研究了铁基复合镀层的组织性能，得出各变量对镀层显微硬度的影响规律，并确定了获得复合镀层的最佳工艺参数。

（1）随着B4C的质量浓度的增加，镀层的显微硬度逐渐增大；随着FeCl2·4H2O的质量浓度的增加，镀层的显微硬度逐渐减小；随着B4C微粒的直径的增加，镀层的显微硬度逐渐减小。

（2）各因素作用的主次顺序为：B4C的质量浓度＞B4C微粒的直径＞FeCl2·4H2O的质量浓度。

（3）获得复合镀层的最佳工艺参数为：B4C微粒的直径 10μm，B4C 30g/L，FeCl2·4H2O 350 g/L。

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［1］BAI A，HU C C.Cyclic voltammetric deposition of nanostructured iron-group alloys in high-aspect ratios without using templates［J］.Electrochemistry Communications，2003，5（8）：619-624.

［2］LEISTNER K，FAHLER S，SCHLORB H，etal.Preparation and characterization of electrodeposited Fe/Pt multilayers［J］.Electrochemistry Communications，2006，8（6）：9l6-920.

［3］刘维波，张小鹏，刘增利.机车曲轴镀铁修复疲劳对比试验研究［J］.实验力学，2003，18（3）：378-382.

［4］田华，赵程，付平，等.SiC颗粒对镀铁层表面形貌和结构的影响［J］.电镀与精饰，2006，20（4）：36-38.

［5］王金亮，迟长志，高洪生，等.B4C微粒尺寸对镀铁层性能的影响［J］.电镀与环保，2011，31（4）：17-19.

［6］付平，田华，许雪，等.Fe-SiC复合电镀的工艺研究［J］.材料保护，2006，39（4）：29-31.

［7］崔忠圻，覃耀春.金属学与热处理（第2版）［M］.哈尔滨：机械工业出版社，2007.

［8］康煌平，陈立佳，赵忠俭.无刻蚀直流镀铁层的组织结构与性能［J］.金属热处理学报，1999，20（3）：47-51.

A Research on Performance Optimization of Fe-B4C Composite Coatings

XⅠ Xiao-hui1， WANG Jin-liang1， ZHANG Yu2
（1.School of Materials and Metallurgy，Northeastern University，Shenyang 110819，China；2.College of Materials Science and Engineering，Liaoning Technical University，Fuxin 123000，China）

Through electrochemical deposition process，by using orthogonal experimental design method，selecting B4C particle size，B4C mass concentration and FeCl2·4H2O mass concentration as three factors and taking coating micro-hardness as evaluation standard，the microstructure and properties of iron-based composite coatings were studied，and the optimal process parameters for the composite coatings were also obtained.The results show that the order of the factors affecting micro-hardness is：B4C mass concentration＞B4C particle size＞FeCl2·4H2O mass concentration，and when the diameter of B4C particles is 10μm，the mass concentration of B4C 30g/L and the mass concentration of FeCl2·4H2O 350g/L，the obtained coating has higher micro-hardness.

iron plating；composite coating；B4C particle；micro-hardness；orthogonal experiment

TQ 153

A

1000-4742（2013）02-0031-03

2012-02-28