載荷對(duì)納米晶Co－Ni－Fe合金鍍層摩擦磨損性能的影響

林蘭芳，戴品強(qiáng)，林綠波

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門(mén)361021;2.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州350108;3.福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系，福建福州350108)

載荷對(duì)納米晶Co－Ni－Fe合金鍍層摩擦磨損性能的影響

林蘭芳1，戴品強(qiáng)2，3，林綠波2

(1.集美大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，福建廈門(mén)361021;2.福州大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，福建福州350108;3.福建工程學(xué)院材料科學(xué)與工程系，福建福州350108)

用脈沖電沉積技術(shù)制備表面平整光亮的納米晶 Co－Ni－Fe合金鍍層.采用XRD、TEM、SEM、EDS等方法研究了納米晶Co－Ni－Fe合金鍍層的微觀組織結(jié)構(gòu)、表面形貌和合金成分.研究了干滑動(dòng)摩擦條件下納米晶鍍層的摩擦磨損性能、磨損后的組織結(jié)構(gòu)和硬度的變化.結(jié)果表明:納米晶Co－Ni－Fe合金鍍層的晶體結(jié)構(gòu)為單相面心立方結(jié)構(gòu).鍍層的摩擦系數(shù)和磨損量隨著摩擦載荷的提高而增大，即鍍層的耐磨性隨載荷的提高而下降.摩擦磨損使納米晶Co－Ni－Fe合金鍍層發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，摩擦載荷越大，磨損后鍍層的硬度越低.

摩擦載荷;納米晶;Co－Ni－Fe;摩擦磨損特性

0 引言

對(duì)于許多工程應(yīng)用而言，耐磨性能是材料最重要的力學(xué)性能之一，因?yàn)椴牧显诜圻^(guò)程中超過(guò)50%的失效是因磨損引起的.近年來(lái)，隨著納米材料制備技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對(duì)納米材料的使用性能也越來(lái)越重視.納米材料具有很高的強(qiáng)度和硬度，可望作為耐磨件應(yīng)用.因而近年來(lái)人們對(duì)納米材料摩擦磨損性能的影響因素進(jìn)行了大量的研究. 如晶粒尺寸［1－3］、摩擦速率［4－6］和潤(rùn)滑條件［5，7］等因素對(duì)納米晶鍍層耐磨性的影響，但載荷對(duì)納米晶材料耐磨性的影響的研究卻并不多.

本文通過(guò)脈沖電沉積技術(shù)制備了納米晶Co－Ni－Fe合金鍍層，研究了摩擦磨損過(guò)程中載荷對(duì)納米晶鍍層結(jié)構(gòu)變化和性能的影響.

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

采用純度為99.99%的鎳板做陽(yáng)極，以經(jīng)表面處理的紫銅片做陰極.鍍液主要成分為:

Ni(NH2SO3)2·4H2O 150 g/L;NiCl2·6H2O 20 g/L;H3BO320 g/L;FeSO4·7H2O 8 g/L;CoSO4·6H2O 30 g/L;KC l5g/L;C6H5Na3O740 g/L;CH3(CH2)11OSO3Na 0.l5 g/L;糖精，抗壞血酸1.5 g/L;1，4－丁炔二醇0.5 g/L.其工藝參數(shù):pH值=3.5;陽(yáng)極電流密度=6 A/dm2;鍍液溫度為45℃;占空比為ton=4 ms，toff=6 ms;攪拌速率為1 300 r/min.

合金鍍層成分由XL30 ESEM－TMP型環(huán)境掃描電鏡附帶的能譜儀測(cè)得，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示.

用Tecnai G2 F20 S－TWIN透射電子顯微鏡觀察納米晶Co－Ni－Fe鍍層的組織結(jié)構(gòu)，用暗場(chǎng)像統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸的分布.

采用D/max UltimaⅢ型全自動(dòng)X射線粉末衍射儀測(cè)定合金鍍層磨損前后的結(jié)構(gòu)，用謝樂(lè)公式計(jì)算合金鍍層的平均晶粒尺寸d.用X射線粉末衍射儀測(cè)定磨損后的結(jié)構(gòu)時(shí)為避免未磨損區(qū)域?qū)y(cè)定結(jié)果的影響，采用線切割將未磨損區(qū)域切除.

摩擦磨損試驗(yàn)在HSR－2M型高速往復(fù)摩擦試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行.采用直徑為6 mm的GCr15鋼球作為對(duì)磨件，其硬度約為670 HV0.1，試驗(yàn)載荷為30 N和50N，往復(fù)頻率為300 r/min，試驗(yàn)時(shí)間為10 min.摩擦系數(shù)曲線由電腦系統(tǒng)自動(dòng)計(jì)算繪出.磨損量的測(cè)定是在精度為萬(wàn)分之一的電子天平上通過(guò)稱量磨損前后的質(zhì)量損失獲得，磨損量用Wloss表示.合金鍍層經(jīng)不同載荷摩擦磨損后的表面形貌由JSM－6380型掃描電鏡觀察得到.鍍層經(jīng)摩擦磨損后，表面的磨痕較光亮，平整度可以保證顯微硬度測(cè)定的準(zhǔn)確度，因此采用顯微硬度計(jì)在壓痕上直接測(cè)定鍍層磨損后的硬度.其具體測(cè)定方法如下:在磨痕的7個(gè)不同位置處測(cè)定其顯微硬度值，然后去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，取剩余的5個(gè)顯微硬度值的平均數(shù)作為鍍層磨損后磨痕處的硬度.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 納米晶Co－Ni－Fe合金鍍層組織結(jié)構(gòu)

由能譜儀測(cè)得Co－Ni－Fe合金鍍層的成分為:Co－40.47%Ni－14.48%Fe(wt.%).合金鍍層的TEM明暗場(chǎng)像、選區(qū)電子衍射花樣及晶粒尺寸分布如圖1所示.

由圖1可知，鍍層的晶粒細(xì)小而均勻，經(jīng)統(tǒng)計(jì)得其平均晶粒尺寸為7.2 nm.圖1b中的選區(qū)電子衍射花樣也證實(shí)了這一點(diǎn).鍍態(tài)合金鍍層的選區(qū)電子衍射花樣是晶粒細(xì)小的納米晶所特有的衍射環(huán)，且合金鍍層的晶體結(jié)構(gòu)為單相面心立方結(jié)構(gòu).其對(duì)應(yīng)的X射線衍射圖譜也顯示了其晶體結(jié)構(gòu)為單相的面心立方結(jié)構(gòu)，如圖2所示，經(jīng)謝樂(lè)公式估算得其晶粒尺寸d為7.3 nm，且與TEM明暗場(chǎng)像的晶粒尺寸統(tǒng)計(jì)結(jié)果相一致.因此，佐證了所制備的Co－Ni－Fe合金鍍層為納米晶鍍層.

2.2 載荷對(duì)納米晶Co－Ni－Fe合金鍍層摩擦磨損性能的影響

摩擦載荷對(duì)納米晶Co－Ni－Fe合金摩擦磨損性能的影響如圖3所示.由圖3可見(jiàn)，載荷為30 N時(shí)，摩擦系數(shù)μ為0.663，磨損失重為1.2 mg.載荷為50 N時(shí)，摩擦系數(shù)μ為0.734，磨損失重為1.5 mg.可見(jiàn)提高載荷導(dǎo)致了摩擦系數(shù)和磨損失重增大，即耐磨性下降.

納米晶Co－Ni－Fe合金在不同載荷下經(jīng)摩擦磨損后的表面形貌如圖4所示.由圖4可見(jiàn)，在往復(fù)頻率相同的條件下，較大的摩擦載荷使得摩擦磨損后的表面粘著痕跡更加明顯，表現(xiàn)為粘著面積增大和明顯的鍍層脫落.由此可見(jiàn)，載荷越大，納米晶鍍層所表現(xiàn)出來(lái)的耐磨性越差.

2.3 摩擦載荷對(duì)鍍層組織結(jié)構(gòu)及硬度的影響

對(duì)經(jīng)不同載荷摩擦磨損后的納米晶Co－Ni－Fe合金進(jìn)行X射線衍射分析，其結(jié)果如圖5所示.與a試樣相比，b試樣的衍射峰強(qiáng)度略有下降，經(jīng)謝樂(lè)公式計(jì)算的a和b試樣的晶粒尺寸分別為17.4 nm和19.8 nm.由此可見(jiàn)，摩擦磨損導(dǎo)致納米晶鍍層晶粒尺寸長(zhǎng)大，載荷越大，納米晶鍍層的晶粒長(zhǎng)大越明顯.這是由于在摩擦磨損過(guò)程中，隨著應(yīng)力的增大，位錯(cuò)和晶界產(chǎn)生的相互作用隨之增強(qiáng)，產(chǎn)生更明顯的晶界遷移，使得晶粒長(zhǎng)大更加明顯［8－9］.此外，摩擦磨損過(guò)程中的摩擦熱也在一定程度上促使了鍍層晶粒的長(zhǎng)大.

納米晶鍍層磨損后表面依然比較光滑，用顯微硬度計(jì)測(cè)定其硬度，結(jié)果如表1所示.經(jīng)摩擦磨損后的納米晶鍍層磨痕位置的硬度均低于試驗(yàn)前鍍層的硬度，且摩擦載荷越大，磨痕處的硬度值越低.此結(jié)果也說(shuō)明了摩擦磨損過(guò)程中的塑性變形和摩擦熱確實(shí)可導(dǎo)致鍍層的晶粒長(zhǎng)大，且載荷越大，鍍層晶粒長(zhǎng)大越明顯.

表1 載荷對(duì)納米晶Co－40.47%Ni－14.48%Fe鍍層硬度的影響Tab.1 The microhardness of Co－40.47%Ni－14.48%Fe coatings before and after wear test

3 結(jié)論

1)脈沖電沉積技術(shù)制備的Co－40.47%Ni－14.48%Fe合金鍍層為納米晶結(jié)構(gòu)，其平均晶粒尺寸約為7.3 nm.

2)隨著摩擦載荷的增大，Co－40.47%Ni－14.48%Fe合金鍍層的耐磨性下降，表現(xiàn)為鍍層的摩擦系數(shù)和磨損量的增大.

3)摩擦磨損過(guò)程中的塑性變形和摩擦熱使得納米晶鍍層發(fā)生晶粒長(zhǎng)大，顯微硬度下降，且載荷愈大，此現(xiàn)象愈為明顯.

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(責(zé)任編輯 陳 敏 英文審校 陳 武)

Effect of Load on the Friction and Wear Characteristics of Nc Co-Ni-Fe Alloy Coating

LIN Lan－fang1，DAI Pin－qiang2，3，LIN Lu－bo2
(1.Marine Engineering Institue，Jimei University，Xiamen 361021，China;2.College of Materials Science and Engineering，F(xiàn)uzhou University，F(xiàn)uzhou 350108，China;3.Department of Materials Science and Engineering，F(xiàn)ujian University of Technology，F(xiàn)uzhou 350108，China)

Nanocrystalline Co－Ni－Fe alloy coatings with smooth and bright surface were synthesized by pulsed electrodeposition.The structure，surface morphology and composition of the nanocrystalline coating were studied by XRD，TEM，SEM and EDS.The wear resistance were investigated by using friction and wear tester under dry sliding friction.The microstructure and the microhardness of the coatings were detected.It was indicated by the results that the nanocrystalline Co－Ni－Fe alloy coating was FCC structure.The friction coefficient and wear loss of the nanocrystalline alloy coating were increased with inereasing load.The wear resistance of the coating was decreased with increasing load.The grain of nc coating was found to grow up after wear test and with the decreased microhardness.

friction load;nanocrystalline;Co－Ni－Fe;friction and wear characteristics

TG 174.4

A

1007－7405(2012)04－0293－04

2012－02－22

2012－05－24

福建省自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目 (E0810006)

林蘭芳 (1964—)，女，副教授，碩士，從事金屬表面工程、納米金屬材料等研究.