宇航材料工艺

宇航材料工艺

锌合金压铸-晨读对韵

•7•

DOI:10.19289/j.1004-227x.2021.01.002

电流密度对钴−碳化铬复合电镀层组织的影响

王帅1,2,3,*，刘建明1,2,3，黄凌峰1,2,3，刘通1,2,3，张鑫1,2,3

（1.矿冶科技集团有限公司，北京100160；

2.北京市工业部件表面强化与修复工程技术研究中心，北京102206；

3.特种涂层材料与技术北京市重点实验室，北京102206）

摘要：研究了电流密度对Co–Cr

3

C

2

复合电镀层的组织、生长速率和Cr

3

C

2

粉末复合量的影响。随着电流密度从5A/dm2提高至

8A/dm2，镀层表面先变致密后变粗糙；镀层生长速率逐渐增大，但增大幅度逐步趋缓；粉末复合量呈现先增加后减小的趋势。

在试验范围内，电流密度为6A/dm2时，镀层外观质量最好，粉末复合量最高(质量分数为5.1%)，组织均匀性较好。

关键词：钴；碳化铬；复合电镀；电流密度；微观组织

中图分类号：TQ153.2文献标志码：A文章编号：1004–227X(2021)01–0007–04

EffectofcurrentdensityonmicrostructureofelectroplatedCo–Cr

3

C

2

compositecoating

WANGShuai1,2,3,*,LIUJianming1,2,3,HUANGLingfeng1,2,3,LIUTong1,2,3,ZHANGXin1,2,3

(lResearchInstituteofMiningandMetallurgyTechnologyGroupCo.,Ltd.,Beijing102206,China;

gEngineeringTechnologyResearchCenterofSurfaceStrengtheningandRepairingofIndustryParts,Beijing102206,China;

gKeyLaboratoryofSpecialCoatingMaterialandTechnology,Beijing102206,China)

Abstract:TheeffectofcurrentdensityonthemicrostructureandgrowthrateofelectroplatedCo–Cr

3

C

2

compositecoating

andtheamountofCr

3

C

2

urrentdensitywasincreasedfrom

5A/dm2to8A/dm2,thesurfaceofthecompositecoatingbecamecompactinitiallyandthenrough,thegrowthrateofthe

compositecoatingwasgraduallyincreasedwithagradientgraduallyslowingdown,andtheamountofparticlesincorporated

theexperimentalrangeofcurrentdensity,thecoatingelectroplatedat

6A/dm²,hadthebestappearancequality,thehighestamount(5.1wt.%)ofparticlesincorporated,andgooduniformityin

microstructure.

Keywords:cobalt;chromiumcarbide;compositeelectroplating;currentdensity;microstructure

在镀液中添加一种或多种不同尺寸的不溶于镀液的颗粒，使之在镀液中悬浮或者配置于基体表面，

通过金属离子的阴极还原，得以将微粒均匀地包裹，使之进入镀层中的过程叫复合电镀，又叫分散电镀、

组合电镀等[1-2]。添加的颗粒增强相使镀层具有了更加优异的综合性能，从而拥有更广阔的应用前景。

钴基复合镀层具有优良的耐高温磨损性能，尤其是在700°C时仍能保持一定的硬度，被广泛应用于

航空航天领域，其中Co–Cr

3

C

2

复合镀层与大多数飞机材料的组合都具有良好的界面匹配性能，且在高于

300°C工作时随着温度升高，镀层表面会生成一层玻璃釉层，具有良好的减磨作用[3-6]。然而目前关于Co–

Cr

3

C

2

复合镀层的工艺研究报道较少，工艺参数对Co–Cr

3

C

2

镀层质量的影响规律尚不明确。为提高镀层

质量，本文通过复合电镀方法制备了Co–Cr

3

C

2

复合镀层，研究了不同电流密度对镀层质量的影响。

1实验

基材采用镍基高温合金GH4169，试样直径25mm、厚度4mm。基材在进行复合电镀之前进行如下

表面处理：打磨→去离子水冲洗→活化→去离子水冲洗。复合镀液采用去离子水配制，其基本成分是

CoSO

4

·7H

2

O400g/L、NaCl20g/L和H

3

BO

3

30g/L，所用Cr

3

C

2

粉末粒径为2~10μm，试验的电流密度

分别为5、6、7和8A/dm2。

收稿日期：2020–08–04修回日期：2020–10–27

基金项目：国家重点研发计划资助（2018YFB2002000）；精密薄壁金属弹性封严环耐磨涂层的研制（04-1903）。

作者简介：王帅（1993–），女，河北衡水人，硕士，工程师，主要研究方向为材料表面腐蚀与防护。

引用格式：王帅,刘建明,黄凌峰,等.电流密度对钴−碳化铬复合镀层组织的影响[J].电镀与涂饰,2021,40(1):7-10.

WANGS,LIUJM,HUANGLF,ofcurrentdensityonmicrostructureofelectroplatedCo–Cr

3

C

2

compositecoating[J].Electroplating

&Finishing,2021,40(1):7-10.

电流密度对钴−碳化铬复合电镀层组织的影响

•8•

采用上海东方光学仪器有限公司的XTL-240显微镜观察试样表面形貌。采用BRILLANT220型自动

切割机将制得的带镀层的试样切开，获取镀层断面，进行金相冷镶制样，400号、800号和1000号砂纸

依次打磨后抛光。利用HITACHISU5000型扫描电子显微镜(SEM)观察镀层表面形貌，并利用附带的能

谱仪(EDS)测定镀层中铬的质量分数，采用差值法计算镀层中碳化铬的含量。

2结果与讨论

2.1电流密度对镀层形貌的影响

由图1可见，随着电流密度升高，镀层表面先致密后粗糙。分析认为：阴极电流密度较小时，金属沉

积较慢，镀液会将来不及被镶嵌的颗粒冲走，导致金属颗粒不容易被镶嵌，因此镀层表面较为平整；随着

电流密度增大至6A/dm2，金属沉积速率增大，金属颗粒更易被捕获，镀层孔隙减少，镀层逐渐趋于致密；

电流密度进一步增大至7A/dm2和8A/dm2时，金属沉积过快，镀层内部结晶过快，镀层表观粗糙。

(a)5A/dm2(b)6A/dm2

(c)7A/dm2(d)8A/dm2

图1不同电流密度下所得Co–Cr

3

C

2

复合镀层的宏观形貌

Figure1Macro-morphologiesofCo–Cr3C2compositecoatingselectroplatedatdifferentcurrentdensities

由图2可见，4种电流密度下的镀层组织均匀，但当电流密度为5、7和8A/dm2时，可明显看到镀

层最上端存在凸起问题；当电流密度为6A/dm2时，最上端镀层较为平整，这与宏观观察结果一致。分析

认为，随着电流密度增加，金属沉积速率加快，导致镀层结晶过快，结合不牢固。对比图2b、2c和2d可

以看出，当电流密度为7A/dm2和8A/dm2时，镀层内的粉末与电流密度为6A/dm2时相比大为减少，这

可能是因为随着电流密度的增加，粉末的沉积速率赶不上金属沉积的速率，于是导致粉末复合量下降。

2.2电流密度对镀层生长速率的影响

采用称重法研究不同电流密度下镀层的生长速率v，电镀时间均为3h，按式(1)[7]进行计算，结果如

图3所示。

12

mm

v

At

−

=

(1)

式中m

1

是未电镀时试样的质量(单位：mg)，m

2

是电镀后试样的质量(单位：mg)，A是镀层面积(单位：

cm2)，t是电镀时间(单位：s)。

500μm

500μm

500μm

500μm

电流密度对钴−碳化铬复合电镀层组织的影响

•9•

(a)5A/dm2(b)6A/dm2

(c)7A/dm2(d)8A/dm2

图2不同电流密度下所得Co–Cr

3

C

2

复合镀层的剖面组织微观形貌

Figure2Cross-sectionalmicromorphologiesofCo–Cr3C2compositecoatingselectroplatedatdifferentcurrentdensities

如图3所示，随着电流密度的增大，镀层生长速率逐渐增大，当电流密度由5A/dm2增大到6A/dm2

时，镀层生长速率提高了24%；但当电流密度为7A/dm2和8A/dm2时，镀层生长速率增大幅度变缓。由

式(2)所示的塔菲尔公式可知，电流密度低(如5A/dm2)时，电沉积的原动力(电极过电位)较小；增大电

流密度(如6A/dm2)，电极的放电能力增加，电极过电位加大，沉积速率将会提高；但是当电流密度增大

到一定程度(如7A/dm2和8A/dm2)时，粉末沉积速率赶不上金属沉积速率，导致镀层中粉末复合量下降，

试样电镀后的增重变小，整体体现就是镀层的生长速率增加变缓。

lgabjη=+(2)

式中η是过电位，j是电流密度，a和b是塔菲尔常数(与电极材料表面状态、温度、浓度有关)。

2.3电流密度对镀层粉末复合量的影响

由图4可以看出，随着电流密度的增大，粉末复合量呈现先增大后减小的趋势，这有力地佐证了

2.2节的分析。

图3电流密度对Co–Cr

3

C

2

复合镀层生长速率的影响

Figure3Effectofcurrentdensityondepositionrateof

Co–Cr3C2compositecoating

图4电流密度对Co–Cr

3

C

2

镀层中粉末复合量的影响

Figure4Effectofcurrentdensityoncontentofparticlesin

Co–Cr3C2compositecoating

3结论

(1)随着电流密度逐渐增大，镀层形貌先变致密后变粗糙，沉积速率逐渐增大，但增大幅度在6A/dm2

以上时趋缓，粉末复合量则呈现先升高后下降的趋势。

(2)结合电流密度对镀层组织、生长速率及粉末复合量的影响，在所试验的参数范围内，电流密度

为6A/dm2时获得的镀层外观质量最好，粉末复合量最高，组织均匀性也较好。

5.05.56.06.57.07.58.0

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

1.8

v

/

(

×

1

0

−

2

m

g⋅

s

−

1

⋅

c

m−

2

)

J

k

/(A⋅dm−2)

5.05.56.06.57.07.58.0

1

2

3

4

5

w

(

Cr

3

C

2

)

/

%

J

k

/(A⋅dm−2)

电流密度对钴−碳化铬复合电镀层组织的影响

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