正交試驗優化復合電刷鍍鎳鐵―金剛石工藝

      引言
　　電刷鍍技術是提高機械裝備零部件性能與維修、再制造中廣泛采用的一種表面技術。由于單一金屬或合金鍍層在耐磨性及高溫性能等方面的局限性，在金屬基體中加入細小的超硬材料粒子的復合電刷鍍技術近年來得到了發展[1]。復合電刷鍍是利用電刷鍍的方法使鍍液中的不溶性固體微粒共沉積到被鍍基質表面形成復合鍍層的一種新的復合鍍方法[2]。常用的不溶性固體顆粒包括：非金屬元素、金屬氧化物、陶瓷等。由于不溶性固體顆粒在復合鍍層中的強化作用，使復合鍍層具有很好的耐磨、耐蝕性能，因而復合刷鍍層具有廣闊的應用前景[3]。
　　目前，國內外都在積極開展復合電刷鍍的研究，馬亞軍[4]等人開展了鎳基納米Al2O3粉末復合電刷鍍鍍層耐磨性的研究，李衛紅[5]等人對電刷鍍Ni-PTFE復合鍍層工藝進行研究，但對復合電刷鍍鎳鐵―金剛石的研究較少，本文利用復合電刷鍍技術在45#鋼基體上制備了鎳鐵―金剛石復合鍍層，采用正交試驗方法研究施鍍電壓、施鍍溫度等工藝參數對鍍層的厚度和鍍層中金剛石含量的影響，確定了復合電刷鍍鎳鐵―金剛石的最佳工藝參數。
　　1 試驗材料及方法
　　1.1 設備 本試驗采用的主要設備有：SD-30B型刷鍍電源，SYB-2型輸液泵，HCC-18型磁性測厚儀，leco-334型碳硫分析儀，HX-500型顯微硬度儀，XS204電子天平，MM200型摩擦磨損試驗機。
　　1.2 復合鍍液配方 復合電刷鍍液鎳鐵―金剛石鍍液配方如下：
　　1.3 工藝流程 預處理（金剛石酸洗、工件除油除銹）――清洗――電凈――清洗――活化――清洗――刷鍍過渡層――清洗――刷鍍工作層――清洗――鍍后處理――清洗――干燥。
　　金剛石預處理過程為：采用0.5-1μm的金剛石微粉放在稀硝酸中煮沸20min，冷卻后用蒸餾水沖洗至中性，放在真空爐中烘干。在電凈前，試樣用砂紙、丙酮除油除銹，電凈時，采用1號電凈液，工件接負極，鍍筆接正極，電壓12V；活化時，采用2號活化液，鍍筆接負極，工件接正極，電壓14V，該鍍液配方無需打底層，在不同工藝參數下直接刷鍍鎳鐵―金剛石鍍層。
　　1.4 正交試驗設計 試驗中采用正交試驗方法，考查了施鍍電壓、施鍍溫度、鍍筆與工件的相對運動速度及鍍液中金剛石含量等參數，在不考慮各因素的交互作用的前提下，設計L9（34）正交試驗方案，見表1，考查各因素對鍍層的厚度及鍍層中金剛石含量的影響。
　　1.5 檢測方法 用HCC―18型磁性測厚儀測量鍍層的厚度，用leco-334型碳硫分析儀測量鍍層中金剛石的含量，用HX-500型顯微硬度儀測量鍍層的顯微硬度，測量時加載時間30S，利用MM200型磨損試驗機測量鍍層的耐磨損性能。
　　2 試驗結果與分析
　　2.1 正交試驗結果 L9（34）正交試驗考查鍍層的厚度及鍍層中金剛石的含量的試驗結果如表2所示。
　　2.2 工藝參數對鍍層厚度的影響 表3所示為不同的因素、水平下鍍層厚度的均值和極差。從表3可以看到，鍍層的厚度在施鍍電壓的影響下2水平均值達到最高；在施鍍溫度的影響下3水平均值達到最高；在鍍筆與工件相對運動速度的影響下1水平均值達到最高；在鍍液中金剛石含量的影響下2水平均值達到最高。也就是說復合電刷鍍鎳鐵―金剛石復合鍍層在60min內鍍層厚度達到最大時的最優工藝參數為A2B3C1D2，即：施鍍電壓為12V，施鍍溫度為50℃，鍍筆與工件的相對速度為10m/min，鍍液中金剛石含量為30g/L。在相同因素下，3個厚度均值之間的極差代表了該因素對鍍層厚度的影響程度，從表3中可以看到，各因素對鍍層厚度的影響從大到小順序為：A>B>C>D。即對鍍層厚度影響最大的是施鍍電壓，其次是施鍍溫度和鍍筆與工件的相對速度，鍍液中金剛石含量對鍍層厚度影響較小。
　　2.3 工藝參數對鍍層中金剛石含量的影響 表4所示為不同因素、水平下復合電刷鍍鍍層中金剛石含量均值與極差。從表4中可以看出，當施鍍電壓為12V，施鍍溫度為50℃，鍍筆與工件的相對速度為10m/min，鍍液中金剛石含量為30g/L時，鍍層中金剛石含量為最大。
　　2.4 鍍層的硬度 圖1所示為復合電刷鍍鎳鐵―金剛石復合鍍層的顯微硬度。可見，復合鍍層的硬度是普通鎳鍍層的3倍，這是由于金剛石微粉在復合鍍層中均勻分布，提高了鍍層的顯微硬度。
　　2.5 涂層的耐磨性能 試件刷鍍后在MM200型耐磨試驗機上進行干磨損試驗，試驗結果如圖2所示。由圖2可以看出，在相同條件下，鎳鐵―金剛石復合鍍層磨痕寬度（d）比普通鍍鎳層磨痕寬度（d）窄得多，由此可以看出鎳與金剛石復合刷鍍層具有較高的耐磨性，比鎳刷鍍層的耐磨性高近6倍。
　　結論
　　①為得到適宜的鍍層厚度和較高的金剛石含量，復合電刷鍍鎳鐵―金剛石最佳工藝參數為：施鍍電壓為12V，
　　施鍍溫度為50℃，鍍筆與工件的相對速度為10m/min，鍍液中金剛石含量為30g/L。
　　②鎳鐵―金剛石復合鍍層具有較高的硬度和耐磨性。
　　③復合電刷鍍鎳鐵―金剛石工藝簡單，具有廣泛的應用前景。