WC含量對CuZnAl表面Ni-P-WC復(fù)合鍍層耐磨性的影響

劉愛蓮,　毛楠楠,　徐家文

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

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WC含量對CuZnAl表面Ni-P-WC復(fù)合鍍層耐磨性的影響

劉愛蓮,毛楠楠,徐家文

(黑龍江科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 哈爾濱 150022)

為提高材料的表面硬度和耐磨性,采用化學(xué)復(fù)合鍍在CuZnAl合金表面制備不同WC含量的Ni-P-WC復(fù)合鍍層,通過掃描電子顯微鏡觀察分析復(fù)合鍍層的微觀形貌,測試復(fù)合鍍層的耐磨性和顯微硬度,分析WC含量對鍍層耐磨性的影響規(guī)律。結(jié)果表明:當(dāng)鍍液中WC的質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí),復(fù)合鍍層呈均勻的胞狀結(jié)構(gòu)和優(yōu)異的耐磨性。

化學(xué)鍍； CuZnAl合金； Ni-P-WC復(fù)合鍍層； 耐磨性

0　引　言

目前,在航天航空器的發(fā)動(dòng)機(jī)零件、軸類等轉(zhuǎn)動(dòng)零件、軍用槍械等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)i基鍍層提出了更高耐磨性的要求?；瘜W(xué)鍍Ni-P合金本身就是耐磨性材料,為了進(jìn)一步提高其耐磨性,在Ni-P化學(xué)鍍過程中加入硬質(zhì)耐磨的WC顆粒,以達(dá)到高耐磨性的要求。尹明勇等人研究過類似WC的SiC[1]、Ni-P化學(xué)復(fù)合鍍層[2]。類似的還有加入金剛石[3],氧化鋁[4]等。碳化鎢為黑色六方晶體,有金屬光澤,硬度與金剛石接近,為電、熱的良好導(dǎo)體,化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定,不溶于水,且有良好的耐酸耐堿能力[5]。

CuZnAl形狀記憶合金具有形狀記憶性能好、應(yīng)用溫度范圍寬、原料來源廣泛、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn),但也存在晶粒粗大、強(qiáng)度低、易脆斷和形狀記憶穩(wěn)定性差、耐磨性、耐蝕性不好等缺點(diǎn)。因此,筆者以CuZnAl合金為基體,對其進(jìn)行化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-WC膜[6-8],期望能提高其耐磨性能。

1　實(shí)驗(yàn)材料與方法

實(shí)驗(yàn)基體選用CuZnAl合金,質(zhì)量分?jǐn)?shù)Zn26%,Al4%,Cu70%。選擇平均粒徑為10 μm 的WC粉末,化學(xué)復(fù)合鍍液所用到的試劑純度均為分析純。

實(shí)驗(yàn)前基體合金進(jìn)行電火花線切割,試樣尺寸為15 mm×15 mm×2 mm,然后用砂紙打磨并超聲清洗。

選用Ni-P[9-10]配方為常用的鋼鐵材料化學(xué)鍍配方,包括硫酸鎳、檸檬酸鈉、無水乙酸鈉與次亞磷酸鈉。實(shí)驗(yàn)時(shí)向鍍液中加入不同含量的WC,WC的質(zhì)量濃度分別為0、20 、30 、40 g/L,施鍍溫度為75 ℃,利用NaOH溶液和稀硫酸調(diào)整鍍液的pH值為4。

化學(xué)鍍前進(jìn)行預(yù)處理,主要包括除油、敏化、活化、還原,除油使用質(zhì)量濃度為50 g/L的NaOH溶液,敏化用SnCl2溶液,活化用PdCl2溶液,還原用次亞磷酸鈉溶液。實(shí)驗(yàn)的每一步完成后,均用去離子水清洗試樣。完成化學(xué)鍍,將試樣取出進(jìn)行水洗、超聲波酒精清洗,烘干,稱重。

采用Rigaku公司的D/MAX2200型X射線衍射儀測定化學(xué)復(fù)合鍍層Ni-P-WC的物相結(jié)構(gòu),實(shí)驗(yàn)參數(shù):Cu靶Kα輻射,λ=1.541 8 μm;管電壓為40 kV;管電流為30 mA;步長為0.02°;掃描速度為4 (°)/min-1;測量范圍為20°～90°。

使用Qunta 200 型掃描電子顯微鏡來觀察Ni-P-WC化學(xué)復(fù)合鍍層的表面形貌和截面形貌,并用能譜分析儀對Ni-P-WC化學(xué)復(fù)合鍍層表面做截面線掃。

采用MHV2000測量Ni-P-WC化學(xué)復(fù)合鍍層的顯微硬度。測試條件:施加載荷2.942 N,加載時(shí)間為10 s,每個(gè)試件選取10個(gè)點(diǎn),去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值,試件的硬度值為八次測量所得數(shù)值的平均值。

為了測試化學(xué)復(fù)合鍍層的耐磨性,耐磨實(shí)驗(yàn)在HIT-II摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,載荷2 N,時(shí)間為10 min,計(jì)算摩擦磨損前后質(zhì)量差,比較耐磨性能,并用掃面電鏡觀察鍍層磨損后的微觀形貌，分析其機(jī)理。

2　結(jié)果與分析

2.1鍍層表面形貌和結(jié)構(gòu)

圖1為不同WC含量的化學(xué)鍍鍍層的表面形貌。

圖1　不同WC含量化學(xué)復(fù)合鍍鍍層的表面形貌

Fig. 1Surface morphology of different chemical compound copperplating WC content layer

從圖1中看到,四幅圖鍍層表面有胞狀物質(zhì)結(jié)構(gòu),并且分散不均勻,圖1a表層較為光滑,圖1b、1c和1d表面較為粗糙,且圖1c中顆粒聚集較為致密,圖d中有些許孔隙結(jié)構(gòu)。因?yàn)樵诨瘜W(xué)鍍過程中鍍層金屬逐漸沉積在基體表面,WC顆粒被不斷的包裹在被鍍材料中間,并隨著鍍層金屬沉積在基體表面,鍍層逐漸加厚,所以,胞狀結(jié)構(gòu)大小不均勻使鍍層表面出現(xiàn)少量的WC粉末團(tuán)聚現(xiàn)象,WC顆粒的密度大且比表面能高,在鍍液中極易團(tuán)聚和沉降,不能夠均勻的分散。從圖1中可以看出,30 g/LWC含量化學(xué)鍍鍍層較為致密,并且有少量的孔隙結(jié)構(gòu),與鍍層中WC含量有關(guān)。化學(xué)復(fù)合鍍層中WC含量越多,胞狀結(jié)構(gòu)越致密,隨著WC含量增加到一個(gè)程度之后,化學(xué)復(fù)合鍍層表面的結(jié)構(gòu)致密度下降,并且孔隙逐漸增加。

2.2鍍層截面形貌和線掃

圖2為不同WC含量的復(fù)合鍍層表面能譜線掃。由圖2a可以看出,CuZnAl基體與鍍層結(jié)合緊密,結(jié)合面光滑平整,是因?yàn)闆]有WC顆粒的緣故。圖2b、2c、2d結(jié)合位置沒有明確的界面,明顯粗糙了很多,在結(jié)合面處Ni-P的含量較多,結(jié)合部分發(fā)亮的點(diǎn)是WC顆粒。圖2b、2d中WC顆粒分散明顯不均勻,還有少量的團(tuán)聚現(xiàn)象。因?yàn)閃C顆粒是以機(jī)械攪拌方式通過包裹,沉淀,沉積在基體表層上的,所以沉積的位置不成規(guī)律,還有簡單的團(tuán)聚現(xiàn)象,發(fā)亮的點(diǎn)有大有小的明顯團(tuán)聚。采用SEM觀察復(fù)合鍍層截面形貌可以算出各個(gè)鍍層的厚度,隨著WC含量的增加鍍層厚度增加,但是在30 g/L時(shí)達(dá)到最大為11.67 μm,之后又隨著WC含量的增加鍍層厚度減小。但所有Ni-P-WC鍍層厚度都比Ni-P鍍層厚度要大,這也是分散了WC顆粒的原因。

2.3XRD物相分析

圖3是WC顆粒質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí)，化學(xué)復(fù)合鍍層的X射線衍射。由圖3知 X射線衍射譜在31.511°、35.641°、48.296°位置有很多尖銳的衍射峰,在衍射角為64.022°,73.104°,77.099°出現(xiàn)相對較弱的峰。無漫散射峰出現(xiàn)證明此鍍層為晶體結(jié)構(gòu),峰的位置出現(xiàn)的大多是WC和基體, WC的大部分以晶體形式存在,是包裹在大量的胞狀物中,少部分被鎳離子的沉積包裹著存在,表面還測到了少量基體成分。

2.4顯微硬度分析

由圖4看出,只有Ni-P的復(fù)合鍍層硬度相對較低為272,加入WC的復(fù)合化學(xué)鍍的顯微硬度平均值是隨著WC含量的增加而增加,當(dāng)增大到某個(gè)值之后,又隨著含量的逐漸增加而減少,在復(fù)合鍍層約為30 g/LWC含量時(shí),化學(xué)復(fù)合鍍層硬度達(dá)到最大為423,20 g/LWC含量時(shí)的化學(xué)復(fù)合鍍層顯微硬度為345, 40 g/LWC含量時(shí)的化學(xué)復(fù)合鍍層顯微硬度為355。因?yàn)殄儗又蠾C微粒的存在會(huì)阻礙金屬基體的位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)和限制晶界滑移,所以加入WC的顯微硬度都大于沒有加入的實(shí)驗(yàn)組,由于WC微粒的加入,增加了形核的質(zhì)點(diǎn),鍍層在沉積過程中更容易形核,從而阻止了晶粒的聚集長大,所以晶粒細(xì)小。隨著WC含量的增加,晶粒越來越細(xì)小,表現(xiàn)為外在的硬度值相對較高。

圖2　不同WC含量化學(xué)復(fù)合鍍鍍層的截面線掃

Fig. 2Cross-section microstructure of different chemical compound copperplating WC content layer

圖3　化學(xué)復(fù)合鍍層的X射線衍射

圖4　不同WC含量化學(xué)復(fù)合鍍層的顯微硬度

Fig. 4Microhardness of different chemical compound copperplating WC content layer

2.5磨層磨損性能對比和磨損機(jī)理分析

圖5為化學(xué)復(fù)合鍍層摩擦磨損前后失重的對比,只有Ni-P鍍層的磨損量m最大,磨損的是鍍層表面,后三組隨著WC含量的增加磨損量先是減少,然后到一個(gè)最小值后逐漸增加,只有Ni-P鍍層的磨損量幾乎是30 g/LWC含量化學(xué)復(fù)合鍍層磨損量的2倍,說明不加WC的鍍層耐磨性在這幾組實(shí)驗(yàn)中為最差,30 g/LWC含量化學(xué)復(fù)合鍍層的耐磨性能最優(yōu)。

圖5　摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的磨損量對比

圖6為不同WC含量化學(xué)復(fù)合鍍層摩擦磨損后的SEM照片。

圖6　摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后的表面磨損形貌

Fig. 6Wear surface morphology after friction and wear experiments

從圖6a能清晰看到摩擦方向的劃痕,細(xì)密且方向一致,并且有明顯的切削痕跡和黏著脫落,其磨損機(jī)理為黏著磨損和磨粒磨損,表面出現(xiàn)的小顆粒或是突起為磨損產(chǎn)物。圖6b、6c、6d有明顯的河流狀花紋,圖6b出現(xiàn)較為密集的鱗片狀層次,圖6c對比圖6b花紋密度要大一些,鱗片狀剝落相對少一些,表面相對較為平整,說明其耐磨性能與上文磨損量的對比結(jié)果一致,也說明WC的含量影響鍍層表面磨損形貌和機(jī)理。圖6a為只有Ni-P的復(fù)合鍍層,沒有WC的潤滑作用,摩擦?xí)r進(jìn)行的相對運(yùn)動(dòng)是純粹的組織與組織的摩擦,可以看到非常清晰的劃痕,四組實(shí)驗(yàn)中能清楚的比較出圖6c表面更為平整一些。這是由于硬質(zhì)顆粒WC的彌散強(qiáng)化作用提高了鍍層的顯微硬度,所以增強(qiáng)了鍍層的耐磨性能。

3　結(jié)　論

(1)Ni-P復(fù)合鍍層顯微硬度最小,30 g/LWC含量的復(fù)合鍍層顯微硬度對比最大。實(shí)驗(yàn)中,其他加入WC含量的鍍層顯微硬度也明顯大于不曾添加WC時(shí)的硬度。

(2)Ni-P復(fù)合鍍層與基體結(jié)合良好,鍍層厚度均勻,當(dāng)WC質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí),WC彌散分布在Ni-P鍍層中,比較致密。

(3)WC質(zhì)量濃度為30 g/L時(shí)的復(fù)合鍍層表面的磨損失重最小,耐磨性能最好。

[1]尹明勇, 馬立群, 王娟, 等. SiC-p/Al復(fù)合材料化學(xué)鍍鎳-磷的工藝研究[J]. 電鍍與環(huán)保， 2013, 33(1): 27-29.

[2]趙芳霞, 劉琛, 張振忠, 等. Ni-P和Ni-Cu-P化學(xué)鍍層對比研究[J]. 材料保護(hù)， 2006, 39(3): 63-67.

[3]孫剛, 陳超, 彭放, 等. 金剛石表面電鍍鎳鐵合金工藝研究[J]. 表面技術(shù)， 2007, 36(14): 49-51.

[4]王芳, 俞宏英, 孫冬柏, 等. Ni-P-納米Al2O3復(fù)合鍍層耐磨性能研究[J]. 電鍍與涂飾， 2007, 26(3): 1-4.

[5]黃伯云. 中國材料工程大典[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[6]周蘇閩, 王紅艷. 多元復(fù)合化學(xué)鍍層的構(gòu)造理論及其應(yīng)用[J]. 表面技術(shù), 2002, 31(6): 68-70.

[7]金永中, 黃勇. 化學(xué)鍍Ni-P-WC復(fù)合鍍層的微觀結(jié)構(gòu)研究[J]. 四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版, 2011, 24(2): 218-220.

[8]馬洪芳, 工藝涵, 許斌. Ni-P納米復(fù)合化學(xué)鍍的研究現(xiàn)狀及展望[J]. 材料保護(hù), 2010, 43(11): 32-35.

[9]王天旭, 蒙繼龍, 李子金. 化學(xué)鍍Ni-P鍍層的生長機(jī)理研究[J]. 材料保護(hù), 2007, 40(12): 4-6.

[10]畢虎才, 衛(wèi)英慧. 化學(xué)鍍Ni-P鍍層晶化過程研究[J]. 材料科學(xué)與工藝, 2007, 15(4): 589-592.

(編輯徐巖)

Effect of WC content on wear properties of electrolees Ni-P-WC composite coating on surface of CuZnAl alloy

LIUAilian，MAONannan,XUJiawen

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is motivated by the need for improving the surface hardness and wear resistance of CuZnAl alloy. This study does so by depositing Ni-P-WC composite coating containing different content of WC particles on the surface of CuZnAl shape memory alloys using electroless coating; investigating the microstructure, phase constitutent, microhardness and wear properties of Ni-P-WC composite coating by X-ray diffraction, scanning electron microscope and energy dispersive spectrum; and above all, testing the microhardness and wear properties of Ni-P-WC composite coating by microhardness testing machine and friction wear testing machine and thereby analyzing the effect of WC content. The results show that the Ni-P-WC composite coating is crystal state and boasts a better bonding the matrix well and the homogenous coating thickness; as in the case of WC content of 30 g/L, WC particles disperse in the coating, thus giving the composite coating a fine cell morphology and the best wear resistance.

electroless plating； CuZnAl alloy； Ni-P-WC composite coating； wear resistance

2015-09-05

劉愛蓮(1975-),女,河南省商水人,副教授,博士,研究方向:形狀記憶金與金屬材料的表面改性,E-mail:liuailian@yeah.net。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.011

TQ153.15

2095-7262(2015)05-0516-05

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