基于模具钢基体的Ni-Co合金镀层的性能研究

（内江职业技术学院 智能制造系，四川 内江641000）

0 前言

Ni-Co合金镀层具有优良的综合性能，有望替代硬铬镀层，在仪器仪表、电子产品和冶炼装备上有重要的应用价值[1-2]。随着现代工业发展对材料的性能提出更高要求，Ni-Co合金镀层越来越受到重视。

Cr12Mo V钢作为一种优质模具钢，被广泛用于模具制造[3]。近年来，随着零件质量要求的不断提高，对模具材料的性能提出了更高要求。因此，有必要通过表面强化来进一步提高Cr12Mo V钢的性能。本研究采用电沉积Ni-Co合金镀层的方法对Cr 12Mo V钢进行表面强化，进一步提高Cr 12Mo V钢的硬度和耐磨性。

1 实验

1.1 实验材料

基体为模具钢（Cr12Mo V钢），将其切割成尺寸为55 mm×30 mm×2 mm的试样。预处理工艺流程为：打→—磨→—→—抛光除油清→—洗酸→—洗清→—洗干燥。阳极为高纯镍板，先进行除油处理，再用蒸馏水冲洗干净后装入阳极袋中。阳极表面积为基体表面积的两倍。

1.2 实验方法

采用改进的瓦特型镀液，其组成为：NiSO4·6 H2O 250 g/L，CoSO4·7 H2O 30 g/L，NiCl2·6H2O 15 g/L，H3BO340 g/L，NaC7H9NSO51 g/L，NaC12H25SO40.2 g/L。电沉积Ni-Co合金镀层时，用磁力搅拌器恒转速（350 r/min）搅拌镀液，镀液pH值控制在4.0，镀液温度控制在50℃。选用直流稳压电源，设置恒流模式，电流密度为1～5 A/dm2。

Ni-Co合金镀层的厚度约为35μm，为了便于测试分析，将合金镀层裁剪成多个试样。用Hitachi S-4800型场发射扫描电子显微镜观察试样的表面形貌，用X射线能谱仪分析试样的成分。

用HXD-1000型维氏硬度计测试试样的硬度，施加载荷为100 g，保载时间为15 s。每个试样上选取5个点进行测试，结果取平均值。

在室温、无润滑的条件下，用往复式摩擦磨损试验机测试试样的耐磨性，施加载荷为5 N，往复行程为40 mm，时间为300 s。

2 结果与讨论

2.1 合金镀层的成分

表1为不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的成分。由表1可知：电流密度对Ni-Co合金镀层中Ni、Co的质量分数有较大的影响。随着电流密度的增大，Co的质量分数降低，而Ni的质量分数升高。当电流密度为1 A/dm2时，Co的质量分数最高为24.86%，Ni的质量分数最低为75.14%。当电流密度为5 A/dm2时，Co的质量分数最低为18.48%，Ni的质量分数最高为81.52%。

表1 不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的成分

Co的质量分数随电流密度的增大而降低的主要原因是：（1）Co沉积受扩散控制，阴极极化对Co沉积影响较大[4]。当电流密度较小时，阴极极化较低，阴极面周围被消耗的Co2+通过扩散得以及时补充，有利于Co沉积，因而合金镀层中Co的质量分数较高。随着电流密度的增大，阴极极化增大的同时也消耗了很多Co2+，阴极面周围Co2+的质量浓度下降，通过扩散来不及补充，导致浓差极化加剧，不利于Co沉积，因而合金镀层中Co的质量分数降低。（2）随着电流密度的增大，析氢量增多导致Ni-Co共沉积时的阴极电流效率降低，Co的分电流效率随之降低，Co的沉积速率比Ni的沉积速率慢[5]，从而导致Co的质量分数降低。

2.2 合金镀层的表面形貌

图1为不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的表面形貌。图2为不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的表面粗糙度。由图1和图2可知：当电流密度为1 A/dm2时，合金镀层较平整致密，表面粗糙度约为0.5μm。随着电流密度的增大，合金镀层的平整度和致密度均提高。当电流密度达到3 A/dm2时，合金镀层的表面形貌最好，表面粗糙度为0.4 μm左右。这是由于电流密度增大使阴极过电位提高，较高的阴极过电位促使晶核的形成速率比生长速率快，从而使晶粒细化、组织致密。但当电流密度超过3 A/dm2时，合金镀层的平整度和致密度均降低，表面变得粗糙，晶粒粗化。随着电流密度从3 A/dm2增至5 A/dm2，合金镀层由细小颗粒状形貌转变成锥状形貌，平整度和致密度都明显降低。这是由于电流密度过高导致浓差极化加剧，析氢量增多造成针孔等缺陷。同时，阴极面周围镀液的pH值升高，容易形成金属氢氧化物夹杂在合金镀层中[6]，从而使合金镀层的致密度降低。

图1 不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的表面形貌

合金镀层的表面形貌除了受电沉积工艺条件的影响外，还受其自身成分的影响。Ni-Co共沉积属于异常共沉积，共沉积时会形成以Co为溶质原子、Ni为溶剂原子的置换型固溶体。由于Ni和Co的原子半径不等，所以Co作为溶质原子进入Ni晶格的间隙中会引起晶格畸变[7]。Ni-Co合金镀层中Co的质量分数对置换型固溶体的形成和生长有一定影响，Co的质量分数越高，越容易形成以Co为溶质原子、Ni为溶剂原子的置换型固溶体。置换型固溶体的生长容易引起晶格畸变，随之产生大量的位错、空位等缺陷，使晶界数量增多，将大尺寸晶粒割裂成多个小尺寸晶粒，从而起到细化晶粒、提高合金镀层平整度和致密度的作用。

图2 不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的表面粗糙度

2.3 合金镀层的硬度

图3为不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的硬度。由图3可知：当电流密度从1 A/dm2增大到3 A/dm2时，合金镀层的硬度从4.23 GPa增大到4.57 GPa。这是由于电流密度增大使晶粒细化，合金镀层的平整度和致密度都提高，加之Co的质量分数较高，能起到很好的固溶强化作用，所以合金镀层的硬度增大。当电流密度达到3 A/dm2时，合金镀层的硬度最高。但当电流密度超过3 A/dm2时，由于合金镀层的平整度和致密度都降低，加之Co的质量分数较低，导致合金镀层的硬度降低。

图3 不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的硬度

2.4 合金镀层的耐磨性

图4为Ni-Co合金镀层的摩擦因数随时间的变化曲线。由图4可知：随着时间的延长，合金镀层的摩擦因数都在一定范围内波动。相比之下，电流密度为3 A/dm2时所得合金镀层的摩擦因数波动幅度较小，摩擦因数随时间的变化曲线较平滑。

图4 Ni-Co合金镀层的摩擦因数随时间的变化曲线

表2为不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的平均摩擦因数。由表2可知：电流密度对合金镀层的平均摩擦因数有一定的影响。随着电流密度的增大，合金镀层的平均摩擦因数先降低后升高；当电流密度达到3 A/dm2时，合金镀层的平均摩擦因数最低（为0.30），说明其具有良好的耐磨性。

表2 不同电流密度下所得Ni-Co合金镀层的平均摩擦因数

3 结论

（1）电流密度对Ni-Co合金镀层的成分、表面形貌、硬度和耐磨性有一定的影响。

（2）随着电流密度的增大，Co的质量分数由24.86%降至18.48%；合金镀层由细小颗粒状形貌转变成锥状形貌，表面粗糙度先降低后升高；合金镀层的硬度先增大后减小，平均摩擦因数先降低后升高。

（3）当电流密度达到3 A/dm2时，Ni-Co合金镀层晶粒细化、组织致密，表面粗糙度约为0.3μm，硬度达到4.57 GPa，平均摩擦因数为0.3，具有良好的耐磨性。