化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層熱處理及磨損性能的研究

羅紅麗，崔向紅，劉家強(qiáng)，李新星, *，花華平，曹歡，謝強(qiáng)強(qiáng)，王樹奇

（1.江蘇大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013；2.蘇州環(huán)球鏈傳動有限公司，江蘇 蘇州 215156）

低碳鋼20CrMnTi 由于其淬透性較高，滲碳淬火后表面有較高的硬度和耐磨性，因此常用于汽車、拖拉機(jī)的變速箱齒輪[1]。化學(xué)鍍是通過氧化還原反應(yīng)在金屬或非金屬表面沉積其他金屬的過程?；瘜W(xué)鍍鎳磷由于其鍍層的高耐蝕性、高耐磨性和厚度均勻等特點(diǎn)，在機(jī)械、電子、化工、印刷等行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。關(guān)于化學(xué)鍍鎳磷鍍層耐磨性，前人已經(jīng)做了一些研究[2]，但是關(guān)于鎳磷化學(xué)鍍層作為耐磨性鍍層的實(shí)用性研究卻很少。表面滲碳工藝是一種傳統(tǒng)的表面處理工藝，廣泛應(yīng)用于齒輪、軸類等要求耐磨的零件中[3]。本文研究了熱處理對鎳磷鍍層的結(jié)構(gòu)和性能的影響，并對滲碳層和鎳磷鍍層的耐磨性能進(jìn)行了對比研究，以此來評價(jià)化學(xué)鍍層的耐磨性，為化學(xué)鍍鎳磷鍍層作為耐磨性鍍層的應(yīng)用提供實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)基材為20CrMnTi，直徑6 mm、長26 mm，蘇州環(huán)球鏈傳動有限公司；C6H5Na3O7·2H2O、NiSO4·6H2O、NaH2PO2·H2O、乳酸、CH3COONa，分析純，國藥集團(tuán)化學(xué)試劑有限公司。

1.2 滲碳工藝

860 °C 滲碳2 h─油冷─200 °C 回火2 h─油冷。

1.3 化學(xué)鍍Ni-P 工藝

(1) 因?yàn)榇植诙冗m中的表面有利于增大鍍層與基體的接觸面積和機(jī)械咬合力，從而提高基體與鍍層之間的結(jié)合力[4]。因此，試驗(yàn)前先用400 號金相砂將滲碳試樣打磨光亮，再按以下流程實(shí)施化學(xué)鍍工藝：水洗─堿性除油─蒸餾水沖洗─化學(xué)鈍化─蒸餾水沖洗─化學(xué)鍍鎳磷─水洗─烘干。

由相關(guān)資料[5-6]得出化學(xué)鍍Ni-P 合金工藝如下：

NiSO4·6H2O 30 g/L

NaH2PO2·H2O 25 g/L

C6H5Na3O7·2H2O 15 g/L

CH3COONa 15 g/L

乳酸 30 g/L

pH 4.4 ～ 4.6

t 2 h

θ 88 ～ 90 °C

(2) 熱處理：用GSL1300X 型高溫管式電爐(合肥科晶技術(shù)材料有限公司)在氬氣保護(hù)下對鍍層試樣進(jìn)行加熱處理，加熱溫度為200、300、400、500 和600 °C，保溫1 h 后隨爐冷。

1.4 性能測試

用日本理學(xué)D/max2500PC 全自動X 射線衍射儀對鍍態(tài)下以及爐內(nèi)加熱后的鍍層進(jìn)行物相分析。用HXD-1000T 型顯微硬度計(jì)(上海光學(xué)儀器廠)測定鍍層的顯微硬度。每個(gè)試樣取3 個(gè)不同的點(diǎn)測試，結(jié)果取平均值，載荷0.98 N，加載時(shí)間15 s。用GSL1300X 箱式電爐進(jìn)行熱震試驗(yàn)，試樣分別加熱到300 °C和600 °C，保溫5 min 后迅速水冷。如此循環(huán)，直到用5 倍放大鏡觀察時(shí)試樣表面出現(xiàn)裂紋為止，記錄循環(huán)次數(shù)。用M-2000型磨損試驗(yàn)機(jī)(宣化科華試驗(yàn)機(jī)廠)測試鍍層的摩擦磨損性能，試驗(yàn)條件為干磨，轉(zhuǎn)速200 r/min，載荷10 ～ 40 N，試驗(yàn)時(shí)間為1 h。對磨件采用GCr15 圓盤，外徑47 mm、內(nèi)徑16 mm、高10 mm，820 °C 淬火20 min，200 °C 回火2 h，硬度60 ～ 62 HRC，外圓磨至粗糙度為Ra= 0.4 μm。用精確度為0.01 mg 的電子天平(上海舜宇恒平科學(xué)儀器有限公司)測量磨損失重。用外掛Inca Energy 350 型能譜儀的JSM-7001F 型掃描電鏡(SEM，德國蔡司)觀察試樣表面和磨面形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 熱處理對鍍層結(jié)構(gòu)的影響

圖1為鍍態(tài)下Ni-P 化學(xué)鍍鍍層的表面形貌和能譜圖?？梢钥闯觯儜B(tài)下鍍層表面為包狀堆積結(jié)構(gòu)。鍍層P 含量為8.79%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)。當(dāng)鍍層中P 含量大于8%時(shí)，鍍層結(jié)構(gòu)為非晶態(tài)[7]。這與用X 射線衍射儀對鍍態(tài)下鍍層的分析結(jié)果相同，如圖2所示。

圖1 Ni-P 合金鍍層表面形貌與能譜圖 Figure 1 Surface morphology and EDS spectrum of Ni-P alloy deposit

圖2 熱處理溫度對Ni-P 鍍層結(jié)構(gòu)的影響 Figure 2 Effect of heat treatment temperature on the structure of Ni-P deposit

圖2為化學(xué)鍍鍍層經(jīng)過不同溫度熱處理后的X 射線衍射圖譜?？梢钥闯觯儜B(tài)下約在衍射角2θ = 45°位置出現(xiàn)散漫的“饅頭峰”，為典型的非晶結(jié)構(gòu)衍射峰，同樣說明了此時(shí)鍍層處于非晶狀態(tài)[8]。經(jīng)200 °C熱處理后，衍射峰仍為“饅頭峰”，但衍射峰半高寬略有降低，Ni(111)方向衍射峰逐漸凸顯，說明鍍層結(jié)構(gòu)已經(jīng)產(chǎn)生了細(xì)微的變化，但仍為非晶結(jié)構(gòu)。經(jīng)300 °C熱處理后，衍射圖中出現(xiàn)了尖銳的Ni 和Ni3P 衍射峰，說明鍍層發(fā)生了晶化轉(zhuǎn)變。但是在2θ = 45°處，仍可隱約看見“饅頭峰”，說明鍍層此時(shí)并未晶化完全。400 °C熱處理后，Ni 和Ni3P 的各個(gè)衍射峰背底幾乎同高且峰強(qiáng)增大，“饅頭”狀消失，鍍層晶化過程已基本完成。經(jīng)500 °C、600 °C 熱處理后，鍍層的衍射峰隨著熱處理溫度的提高而增強(qiáng)，且峰形的尖銳程度也不斷增強(qiáng)。這說明與400 °C 熱處理后的鍍層相比，500 °C、600 °C熱處理后的鍍層中Ni 和Ni3P 相聚集，晶粒長大[9]。

2.2 熱處理對鍍層硬度的影響

圖3為不同溫度熱處理后鍍層的顯微硬度值。

圖3 熱處理溫度和Ni-P 鍍層顯微硬度的關(guān)系 Figure 3 Relationship between heat treatment temperature and microhardness of Ni-P deposit

可以看出，隨著熱處理溫度的提高，鍍層的硬度呈先上升后下降趨勢，在400 °C 熱處理后鍍層硬度達(dá)到最大值，為1 097 HV。這是因?yàn)殒嚵谆瘜W(xué)鍍層鍍態(tài)下處于熱力學(xué)上的亞穩(wěn)態(tài)非晶結(jié)構(gòu)。熱處理后發(fā)生了原子間擴(kuò)散，導(dǎo)致重結(jié)晶的發(fā)生，從而產(chǎn)生金屬鎳的晶胞和金屬間化合物Ni3P，提高了鍍層抵抗塑性變形的能力。鍍層的硬度與Ni3P 的析出量和彌散度正相關(guān)[10]。隨著熱處理溫度的提高，Ni3P 的析出量和彌散度均不斷增大，但是當(dāng)熱處理溫度超過400 °C 后，Ni3P 相開始聚集和長大，它在鍍層中的彌散度反而降低，故鍍層硬度也隨之降低。

2.3 熱處理溫度對鍍層結(jié)合力的影響

由于鍍層與基體的熱膨脹系數(shù)不同[10]，在每次冷熱循環(huán)處理過程中，基體膨脹和收縮的程度也不同，因此，鍍層處于循環(huán)應(yīng)力狀態(tài)。如此反復(fù)，鍍層表面會逐漸出現(xiàn)裂紋和剝落，出現(xiàn)裂紋之前的循環(huán)次數(shù)可以用來評價(jià)鍍層和基體的結(jié)合力。參考GB/T 5270- 1985《金屬基體上的金屬覆蓋層(電沉積層和化學(xué)沉積層)附著強(qiáng)度試驗(yàn)方法》。熱循環(huán)溫度為300 °C 時(shí)，鍍態(tài)鍍層出現(xiàn)極少量微裂紋，而不同溫度熱處理后的鍍層循環(huán)26 次后均未出現(xiàn)明顯的裂紋，說明Ni-P 鍍層與基體結(jié)合良好。為了進(jìn)一步驗(yàn)證鍍層熱處理溫度對結(jié)合力的影響，將循環(huán)溫度提高到600 °C，結(jié)果如表1。

表1 Ni-P 鍍層經(jīng)不同溫度熱處理前后的600 °C 熱震試驗(yàn)結(jié)果 Table 1 Thermal shock test (600 °C) results of the Ni-P deposit before and after treating at different temperatures

可以看出，隨著鍍層熱處理溫度的提高，循環(huán)次數(shù)也在不斷增多，這說明隨著熱處理溫度的提高，鍍層的結(jié)合力不斷增強(qiáng)。這是因?yàn)殄儗雍突w在鍍態(tài)下結(jié)合方式主要是物理結(jié)合，即機(jī)械咬合。經(jīng)過后續(xù)的熱處理，鍍層元素與基體元素?cái)U(kuò)散不斷加劇，鍍層與基體間形成了另一種結(jié)合方式，即化學(xué)鍵合[11]。熱處理溫度越高，鍍層與基體間的元素?cái)U(kuò)散越劇烈。故隨著熱處理溫度的提高，鍍層與基體結(jié)合力增強(qiáng)。另外，循環(huán)溫度本身也會改善基體與鍍層的結(jié)合強(qiáng)度，循環(huán)次數(shù)越多，試樣在循環(huán)溫度中處理時(shí)間越長，鍍層與基體間原子擴(kuò)散也會加劇，因此裂紋變得細(xì)小。

2.4 化學(xué)鍍鎳磷鍍層的磨損性能

圖4為鍍層在10 N 時(shí)的磨損量與熱處理溫度之間的關(guān)系。可見，隨著熱處理溫度的提高，鍍層的磨損量下降，在400 °C 時(shí)下降到最低，為0.25 mg。熱處理溫度繼續(xù)升高，鍍層磨損量反而增加。鍍層耐磨性隨溫度的變化與鍍層硬度隨溫度的變化趨勢(見圖3)大體相同。這與摩擦學(xué)原理相符合[11]，即材料的高硬度能有效地提高材料抗粘著磨損和磨粒磨損的能力，即高硬度則高耐磨。并且熱處理溫度的提高可以增加鍍層與基體的結(jié)合力(見表1)。這也有助于提高鍍層的耐磨性能[12]。

圖4 熱處理溫度對Ni-P 鍍層耐磨性的影響 Figure 4 Effect of heat treatment temperature on abrasion resistance of Ni-P deposit

因此，鍍層耐磨性最好的處理溫度為400 °C，將該溫度處理過的鍍層與滲碳層做磨損對比試驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯?，在10 ～ 40 N 的范圍內(nèi)，經(jīng)過400 °C 熱處理后的鍍層磨損量均小于滲碳層，說明經(jīng)400 °C 熱處理后的化學(xué)鍍Ni-P 鍍層耐磨性能好于滲碳層。尤其是在低載荷(10 ～ 30 N)范圍內(nèi)，滲碳層的磨損量要遠(yuǎn)大于Ni-P 合金鍍層的磨損量，為鍍層磨損量的6 ～ 10 倍。另外，鍍層的磨損量隨載荷增加而平穩(wěn)地增加。

圖5 滲碳層和Ni-P 合金鍍層的磨損量對比 Figure 5 Comparison between wear volume of carburized layer and Ni-P alloy deposit

圖6a、6b、6c和6d 分別為經(jīng)400 °C 熱處理后Ni-P鍍層在10、20、30 和40 N 載荷下的磨損形貌。經(jīng)400 °C熱處理后的化學(xué)鍍Ni-P 鍍層硬度高于滲碳層，因此，其耐磨性要比滲碳層好?？梢钥闯觯?0 N 時(shí)，磨面出現(xiàn)了明顯的犁溝，為典型的磨粒磨損形貌，磨面上片狀的白色區(qū)域?yàn)殄儗又谐煞制郛a(chǎn)生的Ni-P 顆粒(如圖1a所示)經(jīng)摩擦后所形成。20 N 和30 N 時(shí)，除了犁溝外，磨面上局部區(qū)域產(chǎn)生了由磨屑在摩擦力作用下形成的壓實(shí)層，壓實(shí)層能阻斷對磨件和鍍層的直接接觸，具有一定的減磨作用。此時(shí)，磨損機(jī)制為磨粒磨損和粘著磨損(如圖6b 和6c)。40 N 壓實(shí)層在反復(fù)擠壓過程中產(chǎn)生剝落(如圖6d)，此時(shí)磨損量急劇增大。這可能是因?yàn)殄儗釉?0 N 載荷的作用下已經(jīng)被磨穿。

圖6 經(jīng)400 °C 熱處理后Ni-P 鍍層在不同載荷下磨損試驗(yàn)后的表面形貌 Figure 6 Surface morphologies of Ni-P deposit treated at 400 °C after wear testing at different loads

為了進(jìn)一步驗(yàn)證鍍層是否被磨穿，對30 N 和40 N的磨面進(jìn)行元素分析，結(jié)果如圖7a、7b 所示。

圖7 化學(xué)鍍Ni-P 鍍層經(jīng)400 °C 熱處理后在30 和40 N 載荷下的磨損形貌和能譜圖 Figure 7 Wear morphologies and EDS diagrams of Ni-P deposit treated at 400 °C after wearing at 30 N and 40 N,respectively

對比可見，40 N 時(shí)的磨痕明顯大于30 N 的。圖7a中可以明顯看到磨屑聚集在磨面被擠壓摩擦后的痕跡。由圖7a 能譜圖可知，磨面存在C、O、P、Fe、Ni 等元素，并且Ni 的含量為52.55%，P 含量為2.56%，Ni 占大部分，說明此時(shí)鍍層未被磨穿。而檢測到的C、Fe 和O 元素為鍍層表面殘留的摩擦副之間的磨屑所致。由圖7b 可知，磨面上只存在C、O、Fe 3 種元素。說明此時(shí)Ni-P 鍍層已經(jīng)被磨穿，磨面以內(nèi)的鍍層在反復(fù)的摩擦過程中逐漸脫離基體，變?yōu)槟バ迹⒃诤罄m(xù)的清洗中脫離磨面，故而在40 N 載荷下的磨面內(nèi)檢測不到鍍層元素Ni 和P。

綜合上述試驗(yàn)得知，化學(xué)鍍Ni-P 鍍層經(jīng)400 °C熱處理后其磨損性能比滲碳工藝好，但是在高載荷時(shí)鍍層很容易被磨穿。這是因?yàn)殄儗拥暮穸冗h(yuǎn)小于滲碳層(本實(shí)驗(yàn)鍍層厚度為20 μm，滲碳層厚度為0.2 mm)，鍍層被磨穿后摩擦副中承受耐磨性測試的就為滲碳層了。因此，Ni-P 合金鍍層與滲碳層結(jié)合更適合在腐蝕低載環(huán)境下工作，有助于降低損耗。

3 結(jié)論

(1) 鍍態(tài)下的Ni-P 鍍層處于非晶狀態(tài)，經(jīng)熱處理后逐漸轉(zhuǎn)化為晶態(tài)。當(dāng)熱處理溫度為400 °C 時(shí)，晶態(tài)轉(zhuǎn)化完全，同時(shí)析出金屬Ni 的晶胞和金屬間化合物Ni3P。

(2) 隨著熱處理溫度的提高，鍍層的硬度先上升后下降，磨損量先下降后上升，在處理溫度為400 °C時(shí)，二者達(dá)到最佳值，此時(shí)顯微硬度為1 097 HV，10 N載荷下的磨損量是0.25 mg。鍍層和基體的結(jié)合力隨著熱處理溫度的升高而提高。

(3) 本實(shí)驗(yàn)條件下，經(jīng)400 °C 熱處理后的化學(xué)鍍Ni-P 鍍層比滲碳層更加耐磨，在10 ～ 30 N 的載荷下，滲碳層的磨損量是Ni-P 合金鍍層的6 ～ 10 倍。

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