电刷镀镍对30Cr13钢耐腐蚀和力学性能的影响_贺秀丽.pdf

12 DOI:10.19289/j.1004-227x.2023.03.003 电刷镀镍对电刷镀镍对 30Cr13 钢耐腐蚀和力学性能的影响钢耐腐蚀和力学性能的影响 贺秀丽1，马千钧1，梁红玉1,*，高源谷1，杨继红2，马增新2 1.太原工业学院机械工程系，山西 太原 030008 2.山西互昇科技有限公司，山西 晋中 038300 摘要：摘要：在 30Cr13 钢表面电刷镀镍以实现对钢构件的快速修复。采用扫描电子显微镜(SEM)和能谱仪(EDS)考察了电刷镀镍层的表面形貌和元素分布。通过动电位极化曲线测试、洛氏硬度测量及摩擦磨损试验对比了 30Cr13 钢电刷镀镍层前后的耐腐蚀性能和力学性能。结果表明，电刷镀镍层表面呈胞状结构，厚度可达 20 m，与基体结合良好。与 30Cr13 钢基体相比，电刷镀镍层的腐蚀电位更正，腐蚀电流密度降低了 1 个数量级，即耐腐蚀性能更好。30Cr13 钢和电刷镀镍层的洛氏硬度分别为 34.09 HRC和 45.72 HRC，电刷镀镍层的耐磨性比 30Cr13 钢好。关键词：关键词：马氏体不锈钢；电刷镀；镍；显微形貌；耐腐蚀性能；力学性能 中图分类号：中图分类号：TG174.4 文献标志码：文献标志码：A 文章编号：文章编号：1004 227X(2023)03 0012 05 Effect of electro-brush nickel plating on corrosion resistance and mechanical property of 30Cr13 steel HE Xiuli 1,MA Qianjun 1,LIANG Hongyu 1,*,GAO Yuangu 1,YANG Jihong 2,MA Zengxin 2 1.Department of Mechanical Engineering,Taiyuan Institute of Technology,Taiyuan 030008,China 2.Shanxi Husheng Technology Co.,Ltd.,Jinzhong 038300,China Abstract:Electro-brush nickel plating was conducted on the surface of 30Cr13 steel for rapid repairing of steel component.The surface morphology and elemental distribution of electro-brush plated Ni coating were characterized by scanning electron microscopy(SEM)and energy-dispersive spectroscopy(EDS).The corrosion resistance and mechanical properties of 30Cr13 steel and Ni coating were compared by potentiodynamic polarization curve measurement,Rockwell hardness measurement,and friction and wear testing.The results showed that the electro-brush plated Ni coating was well-adhered to the substrate and featured a cellular structure with a thickness up to 20 m.The corrosion potential of Ni coating was more positive than that of 30Cr13 steel,and its corrosion current density was one order of magnitude lower than that of 30Cr13 steel,indicating that Ni coating had better corrosion resistance than 30Cr13 steel.The Rockwell hardness of 30Cr13 steel and electro-brush plated Ni coating was 34.09 HRC and 45.72 HRC,respectively.The nickel coating had better wear resistance than 30Cr13 steel.Keywords:martensitic stainless steel;electro-brush plating;nickel;microscopic morphology;corrosion resistance;mechanical property 30Cr13 钢是一种马氏体不锈钢，常用于制造各种刀具(如医疗器械手术用具)、剪具和一些重要零部件(如轴承)。由于服役环境多变，此类构件通常需要具备良好的机械性能(如硬度)和耐腐蚀性能1-3。电刷镀技术利用电化学工作原理在构件表面快速形成金属层，可以实现对构件表面的快速修复和使用。电刷镀由于具有设备便携、操作简单、沉积速率高、快速修复等特点，因此在各行业中的应用日益广泛4-5。陈虎等6对 316L 不锈钢表面电刷镀 Ni，虽然所得 Ni 镀层较薄并存在微裂纹，但仍可满足钎焊对镀层厚度、结合力和抗高温能力的要求。卢洁等7以铜片为基材电刷镀 Ag，研究了刷镀前电净、活化，以及刷镀液组成和工艺参数对电刷镀 Ag 效果的影响，最终得到表面平整光洁、厚度均匀的 Ag 镀层。金亦辉等8和 Wang等9对不锈钢网电刷镀而得到超疏水不锈钢网，可用于高效分离多种油水混合物。吴华英等10尝试对快速模具型壳材料 3Cr13 钢进行电弧喷涂，结果表明电弧喷涂可有效提高材料表面性能，满足模具件制造和应用的要求。但电弧喷涂技术相较于电刷镀技术工艺复杂，且无法实现对在役构件的快速修复。收稿日期：收稿日期：20220929 修回日期：修回日期：20230201 基金项目：基金项目：国家自然科学基金青年基金（51705350）；山西省研究生教育创新计划支持（2022YJJG299，2021YJJG322）。第一作者：第一作者：贺秀丽（1985），女，博士，副教授，研究方向为金属材料表面改性。通信作者：通信作者：梁红玉（1968），女，博士，教授，研究方向为金属表面处理。引用格式：引用格式：贺秀丽,马千钧,梁红玉,等.电刷镀镍对 30Cr13 钢耐腐蚀和力学性能的影响J.电镀与涂饰,2023,42(3):12-16.HE X L,MA Q J,LIANG H Y,et al.Effect of electro-brush nickel plating on corrosion resistance and mechanical property of 30Cr13 steel J.Electroplating&Finishing,2023,42(3):12-16.电刷镀镍对 30Cr13 钢耐腐蚀和力学性能的影响 13 本文拟采用电刷镀技术对 30Cr13 不锈钢进行表面处理，研究电刷镀 Ni 对其硬度、耐磨和耐腐蚀性能的影响，为 30Cr13 钢在医用刀具、剪具，以及工业轴承等重要零部件方面的进一步推广应用提供理论支持。1 实验实验 1.1 材料材料 基体为 120 mm 10 mm 5 mm 的 30Cr13 不锈钢板材，其化学成分(以质量分数计)为：C 0.26%0.35%，Cr 12.00%14.00%，Si 1.00%，Mn 1.00%，P 0.04%，S 0.03%，Fe 余量。电刷镀处理前先采用 400#、800#、1000#和 1500#砂纸逐级打磨，再用丙酮清洗干净，确保基体表面平整光洁。采用 JLT-D 型镀笔，实验过程中用刷镀包布包裹镀笔表面。1.2 电刷镀镍工艺流程电刷镀镍工艺流程 主要工艺流程为：电净水洗活化电刷镀特殊镍碱铜修补电刷镀快速镍。1.2.1 电净电净 NaOH 20 30 g/L，Na3PO4 50 70 g/L，Na2CO3 20 30 g/L，NaCl 2 g/L，pH 12，常温，电压 10 V，时间约 3 min。1.2.2 活化活化 活化 1：浓盐酸 10 30 mL/L，NaCl 110 120 g/L，pH 0.4 0.6，常温，电压 10 12 V，镀笔移动速率3 5 m/min，时间约 20 s。活化 2：柠檬酸三钠 130 160 g/L，柠檬酸 90 100 g/L，NaCl 2 5 g/L，pH 3 4，常温，电压 12 V，镀笔移动速率 3 5 m/min，时间约 30 s。活化 3：浓硫酸 70 90 g/L，(NH4)2SO4 90 110 g/L，H3PO4 3 5 g/L，H2SiF8 4 6 g/L，pH 0.5，常温，电压 13 V，镀笔移动速率 3 5 m/min，时间约 1 min。1.2.3 电刷镀特殊镍电刷镀特殊镍 NiCl26H2O 30 50 g/L，NiSO46H2O 250 300 g/L，浓盐酸 20 40 mL/L，pH 0.5，常温，镀笔移动速率5 10 m/min，先以电压 15 V 冲击镀 30 s，再以电压 13 V 刷镀 1 min。1.2.4 碱铜修补碱铜修补 CuSO4 230 270 g/L，乙二胺 110 135 g/L，pH 9.5，常温，电压 6 V，镀笔移动速率 3 5 m/min，时间约 40 s。1.2.5 电刷镀快速镍电刷镀快速镍 NiSO46H2O 240 250 g/L，Na3C6H5O72H2O 55 75 g/L，NH3H2O 100 120 mL/L，CH3COONH4 20 30 g/L，pH 7.5，常温，电压 13 V，镀笔移动速率 5 10 m/min，时间约 5 min。1.3 性能检测和分析性能检测和分析 采用 JSM 7200F 扫描电子显微镜(SEM)及 Oxford ZNCA150 能谱分析仪(EDS)分析镀层的表面形貌和元素成分。采用 PGSTAT30 电化学工作站开展动电位极化扫描测试，以饱和甘汞电极(SCE)做参比电极，铂电极做辅助电极，刷镀前后的 30Cr13 钢(工作面为 10 mm 10 mm)做工作电极。测试介质为去离子水，待开路电位稳定后才开始测试，扫描速率为 2.0 mV/s。采用上海研润光机科技有限公司 HRS-150 型数显洛氏硬度计测量 30Cr13 钢基体的硬度。Ni 镀层的硬度采用济南方圆试验仪器有限公司 HTV-1000 显微维氏硬度计检测，载荷 0.2 N，加载时间 10 s，为方便与 30Cr13钢进行对比分析，利用显微维氏硬度计自带的系统将 Ni 镀层的显微硬度自动换算为洛氏硬度。每种试样至少选取 5 个点检测，取平均值。采用高铁检测仪器(东莞)有限公司 GT-7012-BC 型摩擦磨损试验机对不同试样开展摩擦磨损试验，移动速率为 100 mm/min，摩擦距离为 100 mm。电刷镀镍对 30Cr13 钢耐腐蚀和力学性能的影响 14 2 结果与讨论结果与讨论 2.1 Ni 镀层的显微结构镀层的显微结构 从图 1 可以看出，电刷镀 Ni 层主要由胞状颗粒组成，颗粒之间结合紧密，晶界清晰可见。部分胞状颗粒团聚在一起形成较大的胞状颗粒，直径在 4.5 m 左右。从截面形貌可知，Ni 镀层的厚度约为 20 m，镀层与基体之间紧密结合，说明其结合力良好。(a)(b)图图 1 电刷镀镍层的表面(电刷镀镍层的表面(a)和截面()和截面(b)形貌)形貌 Figure 1 Surface(a)and cros