低温镀铁电流密度对镀层组织形貌_组构与硬度的影响_伍涛
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为此，本工作采用低温、小电流密度直流电镀铁， 研究了电流密度对镀层硬度、金相组织、形貌的影响， 并对镀铁层中黑色条纹的成分及其成因进行了探讨。
1试验
1． 1 基材前处理 基材为 45 钢，尺寸为 10 mm × 15 mm，端面前处
理如下： 砂 纸 逐 级 打 磨 → 绝 缘 包 扎 → 电 化 学 除 油 （ 10%的 NaOH 溶液，5 A / dm2 的直流电下阴极除油 3
2． 3 镀铁层的显微硬度
图 3 是镀层不同部位的显微硬度随电流密度的 变化曲线。可以看出，金属镀层硬度、微裂纹硬度都 随着电流密度的增大而升高； 金属镀层均在 490 HV 以上，6 A / dm2 时达到 581． 05 HV。这是由于随着电 流密度的增加，阴极极化作用变大，晶粒细化，位错密 度增高，从而强化了镀层； 微裂纹区域的硬度增长很 平缓，在 470 HV 左右，明显低于金属镀层，说明电流 密度的大小对此影响很小。
［3 ］ 刘 艺，杨 森． 低温镀铁时电流密度对镀层性能的 影响［J］． 电镀与涂饰，2008，27（ 2） ： 15 ～ 16．
［4 ］ 安 宁． 电流密度对无刻蚀低温镀铁性能的影响［J］． 电镀与环保，2009，29（ 6） ： 9 ～ 10．
［5 ］ Tsyntsaru N，Bobanova J，Ye X，et al． Iron -tungsten alloys electrodeposited under direct current from citrate -ammonia plating baths［J］． Surface and Coatings Technology，2009， 203（ 20 /21） ： 3 136 ～ 3 141．
min，再阳极除油 2 min） →水洗→活化（ 稀硫酸溶液， 室温，2 ～ 3 min，活化完后待镀面由亮白变为灰白为 佳） →水洗。阳极为工业纯铁，置于阳极袋中。
1． 2 电镀铁工艺
镀液 配 方： 400 g / L FeCl2 ，50 g / L KCl，50 g / L NaCl，10 g / L H3 BO3 ，5 g / L MnCl2 ，15 g / L NH4 BF4 ，pH 值为 3． 7。
表 1 试验条件
试样 1
J / （ A·dm － 2 ） 2
t/h 24． 0
2
3
16． 0
3
4
12． 0
4
5
9． 5
5
6
8． 0
［收稿日期］ 2012 06 28 ［基金项目］ 中国地质大学（ 武汉） 教学实验室开放基金
（ SKJ2011083） 资助 ［通信作者］ 伍 涛（ 1989 － ） ，硕士，主要从事金刚石工
工艺条件： 用 500 mL 的烧杯配制 5 份镀液，每份 镀液 400 mL，置于水浴槽中，以自动温控仪将镀液温 度控制在（ 30 ± 1） ℃ ，电流密度为 2 ～ 6 A / dm2 ，根据 法拉第定律计算不同电流密度下镀层沉积厚度为 0． 6 mm 所需的电镀时间（ 不考虑各电流密度下电流 效率的差异） 见表 1。
图 1 镀层表面的 SEM 形貌
2． 2 铁镀层的金相组织 镀铁层的金相组织见图 2。
图 3 镀层不同部位硬度
2． 4 镀铁层的能谱 图 4 为 3 A / dm2 镀铁层在打磨前能谱分析。镀
铁层在出槽后在真空环境下保存，以防止镀层表面氧 化。在未打磨镀层的光亮区域处进行点散射，其 EDS 谱见图 4a。由图 4a 可知，对应于金相分析的金属镀 层处仅含有 Fe 元素，说明此区域是一种纯铁组织。 由图 4b 微裂纹处（ 对应黑色条纹） 点散射可以看到， 微裂纹处也仅含有 Fe 元素。
［9 ］ 朱国宝． 常温镀铁层机械性能与沉积机理探讨［J］． 武 汉水利工程学院学报，1979（ 4） ： 107．
［10］ 刘宗昌． 材料组织结构转变原理［M］． 北京： 冶金工业 出版社，2006： 5 ～ 8．
［11］ 孙一唐，张铭钦，刘光波． 电沉积条件对工业镀铁层组 织结构的影响［J］． 电镀与环保，1985（ 2） ： 1 ～ 5． ［编校：李鑫庆］
［2 ］ Martin A，Rodriguez J，Fernández J E，et al． Sliding wear behavior of plasma sprayed WC -NiCrBSi coatings at differ-
ent temperature ［J］． Wear，2001，250 /251（ 2） ： 1 017 ～
檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪檪
（ 上接第 21 页） 状和针状枝晶组织、不规则板块状组织、团聚碳化钨 颗粒和打散的碳化钨颗粒组成。
（ 2） 激光熔覆层经过磨损后，在磨屑、磨损表面及 距磨损表面 10 μm 的亚表层中均观测到粒度极其细 小的析出相。
图 2 不同电流密度下镀层的金相组织 400 ×
不同电流密度下镀铁层的组织形貌均为金属镀 层和黑色网状条纹，未发现晶粒和晶界； 有研究者认 为，黑色网状条纹为 Fe -C 共沉积物或铁素体和渗碳 体位错排列组织［7 ～ 9］。如果是铁素体与碳构成共晶
图 4 镀铁层打磨前的 EDS 谱
图 5 是该镀层暴露于空气中一段时间并打磨后 的镀层形貌和 EDS 谱。图 5a 成分仍为纯铁，但图 5b
2 结果与讨论
2． 1 镀铁层的表面形貌
图 1 是 2 种电流密度下镀铁层 表 面 的 SEM 形 貌。由图 1 可以看出： 2 种镀层表面组织均为连续半 球状小颗粒状，且有微裂纹； 2 A / dm2 时镀层的表面 颗粒尺寸稍粗，整体比较致密平整，裂纹较细小，无气 孔、针孔等缺陷； 6 A / dm2 时镀层表面裂纹粗大，数量 也较多。这可能由于随电流密度增大，镀层的内应力 增加所致。电流密度增大后，析氢副反应加剧，氢气 分子在阴极表面吸附或气体溢出而形成微孔［6］。
［摘 要］ 为了适应金刚石工具的电镀铁，采用低温低电流密度直流电镀铁层。用扫描电子显微镜、显微硬度 计、金相显微镜研究了镀铁层的形貌、显微硬度、金相组织和组成。结果表明： 镀铁层的组织为金属镀层和黑色 网状条纹； 网状条纹处硬度较低，而金属镀层的硬度较高； 且随着电流密度的增大，金属镀层的显微硬度升高， 网状条纹硬度变化较小，但网状条纹逐渐变得粗大，数量增多； 低电流密度下获得的金属镀层为单相纯铁镀层， 黑色网状条纹并非共沉积组织，而是经氧化的微裂纹。 ［关键词］ 低温镀铁； 电流密度； 镀铁层； 形貌； 金相组织； 显微硬度； 组成 ［中图分类号］ TQ153． 1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1001 － 1560（ 2012） 12 － 0027 － 03
［6 ］ 刘洪涛，顾卡丽． 低温镀铁层的微观结构和摩擦学性 能［J］． 材料保护，2004，37（ 6） ： 7 ～ 8．
［7 ］ 崔永植，李 明，汪 红． 低温镀铁技术及其应用［J］． 维修与改造技术，2000，7： 35 ～ 36．
［8 ］ 黄水星，高诚辉． 不同温度加热后镀铁层组织结构和机 械性能研究［J］． 福州大学学报，1986（ 4） ： 55．
物，其硬度 必 然 高 于 铁 素 体［10］。 本 工 艺 形 成 镀 铁 层 的网状组织硬度较低、网状条纹组织处的成分仅含有 铁元素，同时在分析显微硬度时，压痕一角也易产生 同样的裂纹。黑色网状条纹为微裂纹，不同电流密度 下随着电 流 密 度 增 大，镀 层 中 的 微 裂 纹 数 量 逐 渐 增 加，微裂纹也逐渐变粗，这是由于电流密度越大，镀层 的晶粒越细小，产生的拉应力更大，使微裂纹变粗且 密集。
DOI:10.16577/ki.42-1215/tb.2012.12.006 低 温 镀 铁 电 流 密 度 对 镀 层 组 织 形 貌 、组 构 与 硬 度 的 影 响
27
低温镀铁电流密度对 镀层组织形貌、组构与硬度的影响
伍 涛，潘秉锁，田永常 （ 中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北 武汉 430074）
（ 3） 析出相的形貌近似于白色球状的小颗粒，粒 径尺寸约为数十到几百纳米。
（ 4） 激光熔覆层中存在大量的亚稳相，处于过饱 和状态。磨损载荷和摩擦热的双重作用是激光熔覆 产生析出相的主要原因。
［参 考 文 献 ］
［1 ］ 周圣丰，曾晓雁，胡乾午，等． 激光 -应复合熔覆 Ni 基 WC 复合层的工艺研究［J］． 激光技术，2009，33（ 2） ： 124 ～ 126．
低 温 镀 铁 电 流 密 度 对 镀 层 组 织 形 貌 、组 构 与 硬 度 的 影 响
29
微裂纹处含有了一定量的氧元素，说明镀铁层中的氧 是镀后微裂纹附近镀层在空气中氧化带来的，不是在 铁沉积过程中夹杂的，裂纹呈纵向凹槽分布，氧化铁 难以打磨去除。因此，镀层的组织是一种被裂纹分割 的纯铁组织。与黑色条纹中的氧是沉积过程中 Fe3 O4 夹杂引入的观点有别［11］。
图 5 镀铁层打磨后的 EDS 谱
3结论
（ 1） 镀铁层组织表现为一种被微裂纹分割的纯铁 组织，微裂 纹 是 镀 层 沉 积 过 程 中 内 应 力 过 大 而 产 生 的； 微裂纹处在空气中易氧化形成氧化物，影响镀层 质量。
（ 2） 随着电流密度的增大，镀铁层晶粒细化，表面 缺陷增多，微裂纹变粗且数量也逐渐增多。
1 022．
［3 ］ 吴 莹，牛 焱． 激光熔覆添加碳化钨的镍基合金层的
组织和硬度研究［J］． 材料保护，2005，38（ 2） ： 61 ～ 63．
［4 ］ Hidouci A，Pelletier J M，Ducoin F，et al． Micro -structural
and mechanical characteristics of laser coatings ［J］． Sur-
face and Coatings Technology，2000，123 （ 1） ： 17 ～ 23．
1试验
1． 1 基材前处理 基材为 45 钢，尺寸为 10 mm × 15 mm，端面前处
理如下： 砂 纸 逐 级 打 磨 → 绝 缘 包 扎 → 电 化 学 除 油 （ 10%的 NaOH 溶液，5 A / dm2 的直流电下阴极除油 3
2． 3 镀铁层的显微硬度
图 3 是镀层不同部位的显微硬度随电流密度的 变化曲线。可以看出，金属镀层硬度、微裂纹硬度都 随着电流密度的增大而升高； 金属镀层均在 490 HV 以上，6 A / dm2 时达到 581． 05 HV。这是由于随着电 流密度的增加，阴极极化作用变大，晶粒细化，位错密 度增高，从而强化了镀层； 微裂纹区域的硬度增长很 平缓，在 470 HV 左右，明显低于金属镀层，说明电流 密度的大小对此影响很小。
［3 ］ 刘 艺，杨 森． 低温镀铁时电流密度对镀层性能的 影响［J］． 电镀与涂饰，2008，27（ 2） ： 15 ～ 16．
［4 ］ 安 宁． 电流密度对无刻蚀低温镀铁性能的影响［J］． 电镀与环保，2009，29（ 6） ： 9 ～ 10．
［5 ］ Tsyntsaru N，Bobanova J，Ye X，et al． Iron -tungsten alloys electrodeposited under direct current from citrate -ammonia plating baths［J］． Surface and Coatings Technology，2009， 203（ 20 /21） ： 3 136 ～ 3 141．
min，再阳极除油 2 min） →水洗→活化（ 稀硫酸溶液， 室温，2 ～ 3 min，活化完后待镀面由亮白变为灰白为 佳） →水洗。阳极为工业纯铁，置于阳极袋中。
1． 2 电镀铁工艺
镀液 配 方： 400 g / L FeCl2 ，50 g / L KCl，50 g / L NaCl，10 g / L H3 BO3 ，5 g / L MnCl2 ，15 g / L NH4 BF4 ，pH 值为 3． 7。
表 1 试验条件
试样 1
J / （ A·dm － 2 ） 2
t/h 24． 0
2
3
16． 0
3
4
12． 0
4
5
9． 5
5
6
8． 0
［收稿日期］ 2012 06 28 ［基金项目］ 中国地质大学（ 武汉） 教学实验室开放基金
（ SKJ2011083） 资助 ［通信作者］ 伍 涛（ 1989 － ） ，硕士，主要从事金刚石工
工艺条件： 用 500 mL 的烧杯配制 5 份镀液，每份 镀液 400 mL，置于水浴槽中，以自动温控仪将镀液温 度控制在（ 30 ± 1） ℃ ，电流密度为 2 ～ 6 A / dm2 ，根据 法拉第定律计算不同电流密度下镀层沉积厚度为 0． 6 mm 所需的电镀时间（ 不考虑各电流密度下电流 效率的差异） 见表 1。
图 1 镀层表面的 SEM 形貌
2． 2 铁镀层的金相组织 镀铁层的金相组织见图 2。
图 3 镀层不同部位硬度
2． 4 镀铁层的能谱 图 4 为 3 A / dm2 镀铁层在打磨前能谱分析。镀
铁层在出槽后在真空环境下保存，以防止镀层表面氧 化。在未打磨镀层的光亮区域处进行点散射，其 EDS 谱见图 4a。由图 4a 可知，对应于金相分析的金属镀 层处仅含有 Fe 元素，说明此区域是一种纯铁组织。 由图 4b 微裂纹处（ 对应黑色条纹） 点散射可以看到， 微裂纹处也仅含有 Fe 元素。
［9 ］ 朱国宝． 常温镀铁层机械性能与沉积机理探讨［J］． 武 汉水利工程学院学报，1979（ 4） ： 107．
［10］ 刘宗昌． 材料组织结构转变原理［M］． 北京： 冶金工业 出版社，2006： 5 ～ 8．
［11］ 孙一唐，张铭钦，刘光波． 电沉积条件对工业镀铁层组 织结构的影响［J］． 电镀与环保，1985（ 2） ： 1 ～ 5． ［编校：李鑫庆］
［2 ］ Martin A，Rodriguez J，Fernández J E，et al． Sliding wear behavior of plasma sprayed WC -NiCrBSi coatings at differ-
ent temperature ［J］． Wear，2001，250 /251（ 2） ： 1 017 ～
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（ 上接第 21 页） 状和针状枝晶组织、不规则板块状组织、团聚碳化钨 颗粒和打散的碳化钨颗粒组成。
（ 2） 激光熔覆层经过磨损后，在磨屑、磨损表面及 距磨损表面 10 μm 的亚表层中均观测到粒度极其细 小的析出相。
图 2 不同电流密度下镀层的金相组织 400 ×
不同电流密度下镀铁层的组织形貌均为金属镀 层和黑色网状条纹，未发现晶粒和晶界； 有研究者认 为，黑色网状条纹为 Fe -C 共沉积物或铁素体和渗碳 体位错排列组织［7 ～ 9］。如果是铁素体与碳构成共晶
图 4 镀铁层打磨前的 EDS 谱
图 5 是该镀层暴露于空气中一段时间并打磨后 的镀层形貌和 EDS 谱。图 5a 成分仍为纯铁，但图 5b
2 结果与讨论
2． 1 镀铁层的表面形貌
图 1 是 2 种电流密度下镀铁层 表 面 的 SEM 形 貌。由图 1 可以看出： 2 种镀层表面组织均为连续半 球状小颗粒状，且有微裂纹； 2 A / dm2 时镀层的表面 颗粒尺寸稍粗，整体比较致密平整，裂纹较细小，无气 孔、针孔等缺陷； 6 A / dm2 时镀层表面裂纹粗大，数量 也较多。这可能由于随电流密度增大，镀层的内应力 增加所致。电流密度增大后，析氢副反应加剧，氢气 分子在阴极表面吸附或气体溢出而形成微孔［6］。
［摘 要］ 为了适应金刚石工具的电镀铁，采用低温低电流密度直流电镀铁层。用扫描电子显微镜、显微硬度 计、金相显微镜研究了镀铁层的形貌、显微硬度、金相组织和组成。结果表明： 镀铁层的组织为金属镀层和黑色 网状条纹； 网状条纹处硬度较低，而金属镀层的硬度较高； 且随着电流密度的增大，金属镀层的显微硬度升高， 网状条纹硬度变化较小，但网状条纹逐渐变得粗大，数量增多； 低电流密度下获得的金属镀层为单相纯铁镀层， 黑色网状条纹并非共沉积组织，而是经氧化的微裂纹。 ［关键词］ 低温镀铁； 电流密度； 镀铁层； 形貌； 金相组织； 显微硬度； 组成 ［中图分类号］ TQ153． 1 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 1001 － 1560（ 2012） 12 － 0027 － 03
［6 ］ 刘洪涛，顾卡丽． 低温镀铁层的微观结构和摩擦学性 能［J］． 材料保护，2004，37（ 6） ： 7 ～ 8．
［7 ］ 崔永植，李 明，汪 红． 低温镀铁技术及其应用［J］． 维修与改造技术，2000，7： 35 ～ 36．
［8 ］ 黄水星，高诚辉． 不同温度加热后镀铁层组织结构和机 械性能研究［J］． 福州大学学报，1986（ 4） ： 55．
物，其硬度 必 然 高 于 铁 素 体［10］。 本 工 艺 形 成 镀 铁 层 的网状组织硬度较低、网状条纹组织处的成分仅含有 铁元素，同时在分析显微硬度时，压痕一角也易产生 同样的裂纹。黑色网状条纹为微裂纹，不同电流密度 下随着电 流 密 度 增 大，镀 层 中 的 微 裂 纹 数 量 逐 渐 增 加，微裂纹也逐渐变粗，这是由于电流密度越大，镀层 的晶粒越细小，产生的拉应力更大，使微裂纹变粗且 密集。
DOI:10.16577/ki.42-1215/tb.2012.12.006 低 温 镀 铁 电 流 密 度 对 镀 层 组 织 形 貌 、组 构 与 硬 度 的 影 响
27
低温镀铁电流密度对 镀层组织形貌、组构与硬度的影响
伍 涛，潘秉锁，田永常 （ 中国地质大学岩土钻掘与防护教育部工程研究中心，湖北 武汉 430074）
（ 3） 析出相的形貌近似于白色球状的小颗粒，粒 径尺寸约为数十到几百纳米。
（ 4） 激光熔覆层中存在大量的亚稳相，处于过饱 和状态。磨损载荷和摩擦热的双重作用是激光熔覆 产生析出相的主要原因。
［参 考 文 献 ］
［1 ］ 周圣丰，曾晓雁，胡乾午，等． 激光 -应复合熔覆 Ni 基 WC 复合层的工艺研究［J］． 激光技术，2009，33（ 2） ： 124 ～ 126．
低 温 镀 铁 电 流 密 度 对 镀 层 组 织 形 貌 、组 构 与 硬 度 的 影 响
29
微裂纹处含有了一定量的氧元素，说明镀铁层中的氧 是镀后微裂纹附近镀层在空气中氧化带来的，不是在 铁沉积过程中夹杂的，裂纹呈纵向凹槽分布，氧化铁 难以打磨去除。因此，镀层的组织是一种被裂纹分割 的纯铁组织。与黑色条纹中的氧是沉积过程中 Fe3 O4 夹杂引入的观点有别［11］。
图 5 镀铁层打磨后的 EDS 谱
3结论
（ 1） 镀铁层组织表现为一种被微裂纹分割的纯铁 组织，微裂 纹 是 镀 层 沉 积 过 程 中 内 应 力 过 大 而 产 生 的； 微裂纹处在空气中易氧化形成氧化物，影响镀层 质量。
（ 2） 随着电流密度的增大，镀铁层晶粒细化，表面 缺陷增多，微裂纹变粗且数量也逐渐增多。
1 022．
［3 ］ 吴 莹，牛 焱． 激光熔覆添加碳化钨的镍基合金层的
组织和硬度研究［J］． 材料保护，2005，38（ 2） ： 61 ～ 63．
［4 ］ Hidouci A，Pelletier J M，Ducoin F，et al． Micro -structural
and mechanical characteristics of laser coatings ［J］． Sur-
face and Coatings Technology，2000，123 （ 1） ： 17 ～ 23．
