李 英

(天津立林機(jī)械集團(tuán)有限公司， 天津 300352)

銀是良好的導(dǎo)體，在材料表面制備鍍銀層可提高材料的導(dǎo)熱、導(dǎo)電及焊接性能,此外鍍銀層還起到防腐、裝飾、反光等作用[1],因此被廣泛應(yīng)用于電子、電器、儀器、儀表和照明等領(lǐng)域。

鉆井用牙輪鉆頭的內(nèi)孔與主軸接觸,在工作時(shí)會(huì)產(chǎn)生摩擦，對(duì)內(nèi)孔進(jìn)行電鍍銀處理后不僅降低了摩擦因數(shù),還可起到防腐和潤(rùn)滑，提高軸承導(dǎo)熱性、密封性和使用壽命等作用[2]。為了保證鍍銀層質(zhì)量，使其在牙輪鉆頭內(nèi)孔表面發(fā)揮較好的作用，筆者分析了表面粗糙度對(duì)牙輪鉆頭內(nèi)孔表面鍍銀層質(zhì)量的影響。

1 試樣制備

抽取兩個(gè)低合金鋼基體牙輪鉆頭，分別編號(hào)為A和B，在其內(nèi)孔表面進(jìn)行相同工藝的鍍銀處理。然后用線切割方法分別在每個(gè)牙輪鉆頭內(nèi)孔鍍銀層處取兩個(gè)試樣，分別編號(hào)為A1，A2，B1，B2。另外在A，B兩個(gè)牙輪鉆頭上切取10 mm×10 mm×2 mm的鍍銀層試樣，分別編號(hào)為A3，B3。

2 試驗(yàn)方法與結(jié)果

2。1 XRD分析

對(duì)試樣A3，B3的鍍銀層表面進(jìn)行XRD分析，試驗(yàn)采用銅靶，電壓為40 kV，電流為200 mA，掃描速度為3°·min-1，掃描范圍2θ=10°～90°。

圖1，2分別為試樣A3,B3的鍍銀層X(jué)RD譜，可見(jiàn)兩試樣的特征峰基本一致，均在38°附近出現(xiàn)Ag(111)面的衍射峰；在44。2°附近出現(xiàn)Ag(200)面的衍射峰；在64。3°附近出現(xiàn)Ag(220)面的衍射峰；在77。3°附近出現(xiàn)Ag(311)面的衍射峰；在81。4°附近出現(xiàn)Ag(222)面的衍射峰[3-4]，均為純銀峰、無(wú)雜峰。

圖1 試樣A3的XRD衍射譜Fig.1 XRD diffraction pattern of sample A3

圖2 試樣B3的XRD衍射譜Fig.2 XRD diffraction pattern of sample B3

2。2 熱震試驗(yàn)

根據(jù)GB/T 5270-2005《金屬基體上的金屬覆蓋層 電沉積和化學(xué)沉積層 附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法評(píng)述》，將試樣A2,B2置于(300±10) ℃高溫爐中1 h后迅速放入室溫的水中驟冷，取出后用高壓氣吹干，觀察熱震試驗(yàn)后試樣A2，B2的鍍銀層表面狀態(tài)，并與未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣A1，B1進(jìn)行對(duì)比，如圖3所示?？梢?jiàn)試樣A2在熱震試驗(yàn)后鍍銀層表面失去光亮呈暗黑色，且鍍層與基體間無(wú)起泡、脫落和剝離現(xiàn)象，如圖3b)所示；試樣B2在熱震試驗(yàn)后鍍銀層表面無(wú)明顯變化，且鍍層與基體間無(wú)起泡、脫落和剝離現(xiàn)象，如圖3d)所示。

通過(guò)對(duì)熱震試驗(yàn)后試樣A2，B2的外觀對(duì)比觀察，可以發(fā)現(xiàn)兩個(gè)牙輪鉆頭內(nèi)孔鍍銀層的氧化程度不同，與基體結(jié)合情況相近，均未發(fā)生起泡、脫落和剝離現(xiàn)象。

圖3 熱震試驗(yàn)后試樣A2，B2的鍍銀層表面狀態(tài) 與未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣A1，B1的對(duì)比Fig.3 Comparison of surface state of silver coating of sample A2, B2 after thermal shock test with sample A1, B2 without thermal shock test: a) sample A1; b) sample A2; c) sample B1; d) sample B2

2。3 金相檢驗(yàn)

在未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣A1，B1和熱震試驗(yàn)后的試樣A2，B2的橫截面上分別切取適量金相試樣，使鍍銀層與基體結(jié)合面位于鑲嵌試樣的表面，升溫至140 ℃、加壓保溫20 min進(jìn)行鑲嵌制樣。研磨、拋光試樣，再用純水和酒精依次清潔拋光后用高壓氣吹凈，采用Observer A1m型光學(xué)顯微鏡對(duì)試樣的顯微組織進(jìn)行觀察。

由圖4可見(jiàn)，高倍下觀察未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣A1，結(jié)合處不太平滑，有凹凸起伏，說(shuō)明牙輪鉆頭A內(nèi)孔的表面粗糙度較大，此外其鍍層與基體結(jié)合較好；試樣A2經(jīng)熱震試驗(yàn)后局部區(qū)域與基體之間出現(xiàn)夾層，該夾層顏色深淺不一，但仍然保持與基體的良好結(jié)合狀態(tài)。由圖5可見(jiàn)，試樣B2的鍍層在熱震試驗(yàn)后與未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣B1相比無(wú)明顯變化，高倍下觀察結(jié)合面平滑無(wú)凹凸起伏，說(shuō)明牙輪鉆頭B內(nèi)孔的表面粗糙度較小，且其鍍層與基體結(jié)合良好。

2。4 掃描電鏡分析

為進(jìn)一步觀察鍍銀層與基體的結(jié)合情況，采用S-4800型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(SEM)對(duì)未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣A1，B1與熱震試驗(yàn)后試樣A2，B2的鍍銀層形貌進(jìn)行觀察。如圖6所示，可見(jiàn)未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣A1的鍍銀層與基體結(jié)合面呈一條不規(guī)則的曲線，在鍍銀層中間還發(fā)現(xiàn)了一條明顯的結(jié)合面痕跡；試樣B1的鍍銀層與基體結(jié)合面基本保持一條直線，且結(jié)合狀態(tài)致密，這同樣也可以說(shuō)明牙輪鉆頭A內(nèi)孔的表面粗糙度較大，牙輪鉆頭B內(nèi)孔的表面粗糙度較小。

圖4 熱震試驗(yàn)后試樣A2鍍銀層的顯微組織形貌與未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣A1的對(duì)比Fig.4 Comparison of microstructure morphology of silver coating of sample A2 after thermal shock test with sample A1 without thermal shock test: a) morphology of sample A1 at low magnification; b) morphology of sample A1 at high magnification; c) morphology of sample A2 at low magnification; d) morphology of sample A2 at high magnification

圖5 熱震試驗(yàn)后試樣B2鍍銀層顯微組織形貌與未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣B1的對(duì)比Fig.5 Comparison of microstructure morphology of silver coating of sample B2 after thermal shock test with sample B1 without thermal shock test: a) morphology of sample B1 at low magnification; b) morphology of sample B1 at high magnification; c) morphology of sample B2 at low magnification; d) morphology of sample B2 at high magnification

如圖7所示，熱震試驗(yàn)后試樣A2局部鍍層與基體結(jié)合處出現(xiàn)了縫隙，局部鍍層中間還出現(xiàn)了夾層，分離開的基體表面凹凸起伏較大，很不平滑。

2。5 能譜分析

對(duì)未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣A1和熱震試驗(yàn)后試樣A2,B2的鍍銀層區(qū)域選取了如圖8所示的幾個(gè)位置進(jìn)行能譜分析，結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)試樣A1鍍層與基體結(jié)合處的明顯痕跡為銅過(guò)渡層，當(dāng)熱震試驗(yàn)后鍍層與基體中間出現(xiàn)夾層，結(jié)合強(qiáng)度降低，夾層內(nèi)部雜質(zhì)經(jīng)能譜分析為低合金鋼基體鐵及其氧化物；試樣B2的鍍層完好、純度較高，與基體結(jié)合牢固，中間未發(fā)現(xiàn)任何夾雜物。

圖6 未進(jìn)行熱震試驗(yàn)的試樣鍍銀層的SEM形貌Fig.6 SEM morphology of silver coating of sample without thermal shock test: a) sample A1; b) sample B1

圖7 熱震試驗(yàn)后試樣A2的局部鍍銀層SEM形貌Fig.7 SEM morphology of partial silver coating after thermal shock test of sample A2: a) crack; b) interlayer

圖8 鍍銀層能譜分析位置Fig.8 Analysis positions for energy spectrum on silver coating: a) sample A1; b) area 1 on sample A2; c) area 2 on sample A2; d) sample B2

為進(jìn)一步分析鍍銀層元素分布情況，對(duì)試樣A1，B2進(jìn)行了線掃描能譜分析，如圖9所示?？梢?jiàn)試樣A1中銀、鐵、銅3種元素譜線變化較明顯，基體與鍍層之間以及鍍層中明顯痕跡線處銅譜線峰強(qiáng)

表1 鍍銀層能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of energy spectrum on silver coating (mass fraction) %

圖9 鍍銀層線掃描能譜Fig.9 Line scan energy spectrum on silver coating: a) sample A1; b) sample B2

較高，分析認(rèn)為該試樣鍍銀時(shí)在基體表面進(jìn)行了預(yù)鍍銅處理，之后鍍銀過(guò)程中又進(jìn)行了一次鍍銅操作后繼續(xù)鍍銀；試樣B2中只有銀、鐵兩種元素譜線變化較明顯，基體與鍍層之間無(wú)明顯其他元素峰出現(xiàn)，僅僅是銀峰明顯增強(qiáng)，鐵峰相對(duì)應(yīng)減弱，其他元素比較平穩(wěn)[5]。

3 分析與討論

抽取的兩個(gè)牙輪鉆頭的鍍銀層表面形貌無(wú)明顯差別，XRD顯示均為純銀峰、無(wú)雜峰，區(qū)別在于經(jīng)過(guò)熱震試驗(yàn)后鍍銀層與基體之間的結(jié)合情況不同。

在使用光學(xué)顯微鏡和SEM觀察橫截面試樣時(shí)，基體與鍍層的結(jié)合處線性越好說(shuō)明基體表面的粗糙度越小，表面越光滑；反之基體與鍍層結(jié)合處越凹凸不平，說(shuō)明基體表面粗糙度越大，表面越粗糙。當(dāng)基體表面較粗糙即粗糙度較大時(shí)，即使進(jìn)行了預(yù)鍍銅操作，鍍銀層經(jīng)過(guò)熱震試驗(yàn)后仍與基體發(fā)生了不同程度的分離，而基體平滑即粗糙度較小的鉆頭內(nèi)孔，結(jié)合情況仍良好[6]。

綜合分析認(rèn)為，鍍銀層與基體之間的結(jié)合力受基體表面粗糙度影響較大，一方面粗糙度較大時(shí)基體表面不夠平滑，影響鍍前基體表面污物及氧化層的預(yù)處理效果，基體表面容易附著各種污物及不易活化的氧化層，成為阻礙電解液和金屬表面直接接觸的中間夾層[7]；另一方面較大的粗糙度不利于鍍層的連續(xù)性和完整性，一旦鍍層遭到破壞就會(huì)喪失良好的耐腐蝕性能和潤(rùn)滑作用，然后環(huán)境中的有害氣氛及摩擦副會(huì)對(duì)鍍層產(chǎn)生進(jìn)一步破壞。

4 結(jié)論及建議

(1) 鍍銀層外觀和純度基本一致的兩個(gè)牙輪鉆頭，會(huì)由于基體的表面粗糙度不同造成基體與鍍銀層之間的結(jié)合強(qiáng)度不同，降低基體的表面粗糙度可提高鍍銀層的結(jié)合強(qiáng)度及耐磨性。

(2) 建議降低牙輪內(nèi)孔的表面粗糙度，對(duì)基體表面進(jìn)行光滑處理，以提高鍍銀層結(jié)合力及耐磨性。