鎳-磷微米金剛石化學(xué)復(fù)合鍍工藝及鍍層性能

孫海影，陳華*，吳兵

（長(zhǎng)春工業(yè)大學(xué)先進(jìn)結(jié)構(gòu)材料省部共建教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，吉林 長(zhǎng)春 130012）

近年來(lái)，汽車的輕量化理念倍受關(guān)注，由于零部件設(shè)計(jì)越來(lái)越緊湊，傳統(tǒng)的螺栓緊固方法無(wú)法保證輪與軸的同步運(yùn)轉(zhuǎn)及動(dòng)力的正常輸出，因而必須加大輪與軸間的摩擦力。而在輪與軸之間放置一個(gè)具有高摩擦因數(shù)的摩擦墊片，可大大提高聯(lián)接強(qiáng)度，保證輪與軸的同步運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)高功率大扭矩的輸出。這種設(shè)計(jì)不但提高了汽車的安全性，而且達(dá)到了輕量化設(shè)計(jì)的要求。

化學(xué)復(fù)合鍍工藝操作簡(jiǎn)便，鍍層均勻、硬度高、耐蝕耐磨、表面光潔致密平整，被廣泛應(yīng)用于航空航天、微電子、汽車零件、醫(yī)療器械等方面[1-3]。金剛石顆粒具有硬度高、耐磨、耐腐蝕、自潤(rùn)滑等特性，在復(fù)合鍍領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用[4-9]。但是，多數(shù)學(xué)者都在研究納米金剛石復(fù)合鍍，忽視了大顆粒的微米金剛石，而微米金剛石恰恰能賦予鍍層良好的綜合性能。本文采用化學(xué)復(fù)合鍍的方法來(lái)制備微米金剛石摩擦墊片。試驗(yàn)?zāi)康氖鞘菇饎偸w粒在基體表面呈半裸狀態(tài)，即粒子的一半與鎳基形成復(fù)合鍍層，另一半凸出在鎳基表面，從而增大材料的摩擦因數(shù)及與相對(duì)面的咬合力，實(shí)現(xiàn)零件的高強(qiáng)度聯(lián)接。

目前，國(guó)內(nèi)汽車市場(chǎng)還沒(méi)有同類的自主產(chǎn)品，生產(chǎn)中需要的摩擦墊片主要來(lái)于德國(guó)，它的摩擦因數(shù)是普通墊片的3 倍，對(duì)汽車的輕量化設(shè)計(jì)非常關(guān)鍵，但是，進(jìn)口摩擦片價(jià)格是自主生產(chǎn)成本的3 倍以上?？梢?jiàn)，研發(fā)這種高性能的摩擦墊片是目前汽車生產(chǎn)中迫切的需要，自主產(chǎn)品必將帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益[10]。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料及儀器

基體材料為低碳鋼，規(guī)格30 mm × 15 mm × 3 mm。金剛石(武漢三靈科技產(chǎn)業(yè)有限公司)平均粒徑5 μm，尺寸在5～10 μm 之間。主要試劑有硫酸鎳(北京化工廠)，次磷酸鈉(萊陽(yáng)化工實(shí)驗(yàn)廠)，檸檬酸鈉(天津市大茂化學(xué)儀器供應(yīng)站)，結(jié)晶乙酸鈉(上海滬宇生化試劑有限公司)，均為分析純。

試驗(yàn)所采用的儀器主要有 OLYMPUS 公司的M061 型金相顯微鏡，JSM-5500LV 掃描電子顯微鏡，美國(guó)儀器集團(tuán)的UNMT-1 材料表面微納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)，長(zhǎng)春市智能儀器設(shè)備有限公司的MH-2000 磨損試驗(yàn)機(jī)，南昌市恒順化驗(yàn)設(shè)備制造有限公司的DZKW-4 型電子恒溫水浴鍋，江蘇省金壇市漢康電子有限公司的JJ-1A 精密定時(shí)電動(dòng)攪拌器。

1.2 試驗(yàn)方法

直接復(fù)合鍍工藝及兩步法復(fù)合鍍工藝的鍍液配方均相同，只是金剛石和鋼基體加入時(shí)間和順序不同，具體配方及工藝如下：

硫酸鎳 25 g/L

次磷酸鈉 25 g/L

結(jié)晶乙酸鈉 15 g/L

檸檬酸鈉 10 g/L

pH 4～5

θ80～85 °C

施鍍過(guò)程采用機(jī)械間歇攪拌，即攪拌10 s、間歇10 s?；瘜W(xué)鍍前對(duì)試樣進(jìn)行前處理，其工藝流程為：預(yù)磨─拋光─堿性除油─水沖洗─酸洗─水沖洗─施鍍。其中堿性除油液為10 g/L 氫氧化鈉的水溶液，酸洗液為10%的鹽酸溶液。

直接復(fù)合鍍工藝是將金剛石和鋼基體同時(shí)放入鍍液中施鍍，兩步復(fù)合鍍工藝則是先在鋼基體表面鍍一層Ni-P，再放入金剛石進(jìn)行復(fù)合鍍。實(shí)驗(yàn)中，金剛石加入量均為0.4 g/L，兩步復(fù)合鍍工藝中首先化學(xué)鍍Ni-P 30 min，再?gòu)?fù)合鍍金剛石10 min，總時(shí)間為40 min。若采用短時(shí)間直接復(fù)合鍍工藝，金剛石顆粒沒(méi)有被Ni包裹，但是鍍層太薄，金剛石與基體的結(jié)合不牢固，摩擦?xí)r脫落，所以將直接復(fù)合鍍的工藝時(shí)間定為25 min。實(shí)驗(yàn)表明，直接復(fù)合鍍25 min時(shí)金剛石已經(jīng)被Ni包裹，而且隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，Ni-P 鍍層厚度增加，金剛石被包裹得更深，達(dá)不到實(shí)驗(yàn)?zāi)康?。所以，不進(jìn)行2 種工藝總時(shí)間(40 min)的對(duì)比。

1.3 性能測(cè)試

采用M061 型金相顯微鏡觀察金剛石復(fù)合鍍層的微觀組織形態(tài)及其分布，利用UNMT-1 材料表面微納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試復(fù)合鍍層的三維圖像，采用MH-2000 磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合鍍層的摩擦性能，摩擦形式為銷盤(pán)式，試驗(yàn)溫度為40.0 °C、相對(duì)濕度為40.0%，摩擦副材料為GCr15(HRC55)，載荷為20.0 N，時(shí)間為120 s 每次，采用定時(shí)間停車方法進(jìn)行試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 直接復(fù)合鍍工藝及兩步復(fù)合鍍工藝的對(duì)比

2 種復(fù)合鍍工藝所得鍍層的表面與斷面形貌照片見(jiàn)圖1。

圖1 兩步復(fù)合和直接復(fù)合分別所得鍍層的表面及斷面形貌Figure 1 Surface and section images of composite coatings obtained by two-step and direct plating processes,respectively

從圖1a的兩步復(fù)合鍍層的表面照片可以看出，金剛石顆粒分布比較均勻，表面棱角分明，表明金剛石沒(méi)有被Ni-P 包裹。由圖1c的斷面照片也可看出，鍍層厚度為18.7 μm，金剛石上部分凸出在鍍層表面，沒(méi)有被包裹，這種結(jié)構(gòu)可明顯增大材料的摩擦因數(shù)。從圖1b的直接復(fù)合鍍層的表面照片可以看出，金剛石棱角不明顯，被白色的胞狀物Ni 包裹。從圖1d可明顯看出，鍍層厚度為12.6 μm，金剛石被Ni 完全包裹，這樣會(huì)導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低，達(dá)不到與相對(duì)面的咬合力。由于圖1c和1d 放大了2 000 倍，因此在斷面上只能看到一個(gè)金剛石顆粒。由此可見(jiàn)，兩步復(fù)合鍍工藝得到的鍍層滿足實(shí)驗(yàn)要求，以后的實(shí)驗(yàn)均采用此方法制備復(fù)合鍍層。

2.2 金剛石加入量及復(fù)合鍍時(shí)間對(duì)鍍層的影響

金剛石加入時(shí)間對(duì)復(fù)合鍍層的綜合性能有著重要影響，時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，金剛石會(huì)被鎳包裹，時(shí)間過(guò)短會(huì)導(dǎo)致金剛石與鍍層結(jié)合力不夠。圖2為不同復(fù)合鍍時(shí)間所得Ni-P-金剛石鍍層的斷層形貌。實(shí)驗(yàn)中，化學(xué)鍍鎳30 min，金剛石加入量為0.4 g/L。從圖中可知，復(fù)合鍍10 min 所得鍍層的厚度為18.7 μm，復(fù)合鍍20 min所得鍍層的厚度為20.4 μm。由圖2a可見(jiàn)，金剛石粒子的一半鑲嵌在基體內(nèi)，尖端露出在Ni-P 基體表面，金剛石棱角分明，表面沒(méi)有被物質(zhì)包裹。由圖2b可見(jiàn)，金剛石幾乎被Ni-P 完全包覆，僅露出一點(diǎn)點(diǎn)，該鍍層與半嵌入金剛石的復(fù)合鍍層相比，摩擦因數(shù)會(huì)降低，與相對(duì)面的咬合力也會(huì)下降。

圖2 復(fù)合沉積不同時(shí)間所得Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層的斷面形貌Figure 2 Section images of Ni-P-diamond composite coatings obtained by composite deposition for different time

此外，金剛石加入量也會(huì)影響鍍層的性能，因此在鍍液中分別加入0.2、0.4 和1.2 g/L 金剛石進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，化學(xué)鍍時(shí)間30 min，金剛石復(fù)合鍍時(shí)間10 min。

圖3a為加入1.2 g/L金剛石時(shí)所得復(fù)合鍍層的顯微照片。由該圖看出，鍍層中金剛石分散度不好，出現(xiàn)層疊狀分布及團(tuán)簇聚集現(xiàn)象，造成金剛石的浪費(fèi)且易剝落，使鍍層表面發(fā)黑，外觀效果差。圖3b為0.4 g/L金剛石的條件下所得鍍層的金相照片。從中可見(jiàn)金剛石分布十分均勻，層疊率小，顆粒的表面積占有率接近40%，基體鎳層致密。圖3d為金剛石加入量進(jìn)一步減少至0.2 g/L 時(shí)所得復(fù)合鍍層的表面形貌照片。從中可看出，金剛石層疊現(xiàn)象幾乎不存在，顆粒的表面積占有率接近30%，但是由于金剛石含量過(guò)小，分布不是很均勻。

綜合上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，當(dāng)金剛石加入量為0.4 g/L，先化學(xué)鍍Ni-P 合金30 min，再?gòu)?fù)合鍍10 min，得到的 復(fù)合鍍層綜合性能最佳。

圖3 不同金剛石加入量所得復(fù)合鍍層的金相照片F(xiàn)igure 3 Metallographs of different composite coatings obtained with different dosages of diamond

2.3 Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層的摩擦性能分析

采用MH-2000 磨損試驗(yàn)機(jī)測(cè)試復(fù)合鍍層的摩擦性能，試驗(yàn)材料為上述最佳工藝所得到的復(fù)合鍍層，取4 個(gè)鍍件進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，半徑均為100 mm。由儀器實(shí)時(shí)記錄摩擦的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。

圖4 Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層干摩擦磨損試驗(yàn)曲線Figure 4 Curves of dry-friction wear test for Ni-P-diamond composite coating

由圖4可以看出，載荷一定的條件下，實(shí)際磨損過(guò)程中扭矩在一定范圍內(nèi)波動(dòng)。由于載荷不變，扭矩變化說(shuō)明瞬時(shí)有摩擦因數(shù)的變化。其主要原因是Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層的表面既有鎳又有凸出的硬質(zhì)金剛石顆粒，不同物質(zhì)的摩擦因數(shù)不同。根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得的動(dòng)態(tài)波形圖，在穩(wěn)定區(qū)生成Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層干摩擦磨損數(shù)據(jù)，按銷盤(pán)式摩擦因數(shù)公式[即式(1)]計(jì)算4 個(gè)樣品的摩擦因數(shù)。

其中M為摩擦力矩(N·m)，R為試樣的回轉(zhuǎn)半徑(m)，F(xiàn)為載荷大小(N)。得到的摩擦磨損數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層干磨損數(shù)據(jù)Table 1 Dry-friction wear data for Ni-P-diamond composite coating

由表1可得到金剛石復(fù)合鍍層的干摩擦因數(shù)的平均值達(dá)到0.518，而普通鋼的摩擦因數(shù)為0.36 左右。由此可見(jiàn)，化學(xué)鍍金剛石大大提高了基體的摩擦因數(shù)。

2.4 金剛石復(fù)合鍍層表面及三維形貌分析

利用UNMT-1 材料表面微納米力學(xué)測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試復(fù)合鍍層的三維圖像，分別對(duì)摩擦磨損前后的最佳工藝所得復(fù)合鍍層進(jìn)行試驗(yàn)，儀器根據(jù)金剛石在鍍件表面凸出的高度不同而進(jìn)行繪圖，得到的三維形貌如圖5所示。

圖5 干摩擦磨損前后Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層表面的三維圖像Figure 5 3D images of Ni-P-diamond composite coating surface before and after dry-friction wear

圖5a是Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層未磨損表面的三維圖像。由圖中可見(jiàn)，復(fù)合鍍層基體的顏色為綠色，金剛石分布比較均勻，嵌入的金剛石凸出鍍層表面平均高度在1.9～3.1 μm 之間，凸出得越高，顏色越偏向于紅色。另外，復(fù)合鍍層個(gè)別區(qū)域有微坑存在。圖5b為Ni-P-金剛石復(fù)合鍍層干摩擦磨損條件下的三維圖像。可以看出，磨損后的復(fù)合鍍層表面大約形成了0.4 μm深的犁溝，個(gè)別區(qū)域有1 μm 左右深度的剝落坑，沒(méi)有發(fā)現(xiàn)大的剝落坑，磨損后基體變成了藍(lán)色，說(shuō)明表面的Ni 基被磨掉，但基體表面上有明顯的3～4 μm 的尖銳凸起，這顯然是嵌入Ni 基鍍層中的金剛石顆粒。由此說(shuō)明，金剛石顆粒在摩擦磨損過(guò)程中沒(méi)有發(fā)生脫落現(xiàn)象，也表明金剛石顆粒與復(fù)合鍍層的結(jié)合非常好。

3 結(jié)論

(1) 通過(guò)2 種Ni-P-金剛石復(fù)合鍍工藝比較，得出兩步復(fù)合鍍方法最佳。經(jīng)過(guò)兩步化學(xué)鍍，金剛石顆粒均勻地鑲嵌在鎳基鍍層中，且上部分凸出在鍍層表面，增大了材料的摩擦因數(shù)及與相對(duì)面的咬合力。

(2) Ni-P-微米金剛石復(fù)合鍍層的干摩擦因數(shù)可達(dá)0.518。

(3) 金剛石復(fù)合鍍層在干摩擦磨損條件下沒(méi)有出現(xiàn)粒子脫落的現(xiàn)象，表明金剛石與Ni 基體的結(jié)合非常牢固。

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