載荷對鎳鈷合金鍍層耐磨性的影響

劉霽云， 趙 陽， 董世運， 徐濱士

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京 100072)

載荷對鎳鈷合金鍍層耐磨性的影響

劉霽云， 趙 陽， 董世運， 徐濱士

(裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室， 北京100072)

為了探究鎳鈷(Ni-Co)合金鍍層在不同工況條件下的摩擦磨損情況，采用電沉積技術(shù)制備了Ni-Co合金鍍層，分別利用顯微硬度計和X射線衍射儀(X-RayDiffractometer，XRD)表征了Ni-Co合金鍍層的顯微硬度和相結(jié)構(gòu)，利用摩擦磨損試驗機、掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope，SEM)、能譜儀(EnergyDispersiveSpectrometer，EDS)和三維形貌儀研究了鍍層在不同載荷、頻率與摩擦副下的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明：鍍層的顯微硬度為428HV；鍍層為面心立方結(jié)構(gòu)；鍍層的磨損體積隨載荷和頻率的增大而增大；摩擦副為GCr15鋼球時，主要為粘著磨損；摩擦副為Si3N4陶瓷球時，主要為磨粒磨損，且與摩擦副為GCr15鋼球時相比，鍍層磨損體積較小，摩擦因數(shù)(CoefficientOfFriction，COF)較低。

鎳鈷合金鍍層； 耐磨性； 電沉積； 載荷

鎳鈷(Ni-Co)合金鍍層是一種理想的防護性鍍層，具有較高的硬度[1]、耐磨性[2]和高溫穩(wěn)定性[3]，作為一種重要的工程材料廣泛應(yīng)用于諸多領(lǐng)域。WANG等[4]研究表明：當鍍層中Co含量達到30%～40%時，鍍層硬度較高，具有良好的耐磨性。由于鈷含量高的鍍層內(nèi)應(yīng)力大、抗熱裂性能差和性價比低，因此在實際應(yīng)用中，Co含量一般控制在40%以下。在保證耐磨性的前提下盡量減少Co用量，對于提高電鍍的經(jīng)濟效益和可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

電沉積技術(shù)制備Ni-Co合金鍍層的鍍液體系多種多樣，且制備工藝也十分成熟。研究人員主要集中研究了電沉積技術(shù)的工藝和鍍液配方對Ni-Co合金鍍層性能的影響，如：遲玉忠等[5]通過在鍍液中加入稀土元素，有效改善了鍍層質(zhì)量，提高了鍍層結(jié)合強度；WU等[6]研究了Co含量對Ni-Co合金鍍層結(jié)構(gòu)及耐磨性的影響。但目前對于鍍層在不同工況條件下的摩擦磨損情況研究較少。鑒于此，筆者采用電沉積技術(shù)制備了一種Co含量在40%左右的Ni-Co合金鍍層，分別用Si3N4陶瓷球和GCr15鋼球作摩擦副，并施加不同載荷和頻率，對Ni-Co鍍層的摩擦學(xué)性能進行研究。

1 實驗材料和方法

1.1試樣處理

基體為黃銅，尺寸為20 mm×20 mm×10 mm。摩擦測試前用酒精擦拭干凈。試驗基本鍍液pH=3.0～4.0，其組成為：硫酸鎳250 g/L，硫酸鈷40 g/L，硼酸45 g/L，氯化鈉20 g/L，糖精鈉2 g/L。

1.2性能測試

采用D8型多晶X射線衍射儀(X-Ray Diffractometer，XRD)進行鍍層相結(jié)構(gòu)分析，Cu靶，管電壓為40 kV，管電流為40 mA。采用HVS-1000數(shù)顯顯微硬度計測定鍍層顯微硬度，在試樣上取5個點，取其平均值，施加載荷F=100 mN，時間為15 s。

采用美國CETR-UTM-3型多功能摩擦磨損試驗機進行干磨損試驗，運動為往復(fù)式運動，試驗條件如下：1)摩擦副為Si3N4陶瓷球，直徑4 mm，硬度約1 500 HV，F(xiàn)=10、20、40 N，頻率f=5 Hz，摩擦?xí)r間t=30 min；2)摩擦副為GCr15鋼球，直徑4 mm，硬度59 HRC，F(xiàn)=10、20、40 N，f=5 Hz，t=30 min；3)摩擦副為GCr15鋼球，直徑4 mm，f=5、7.5、10 Hz，F(xiàn)=10 N，t=30 min。

采用日立公司生產(chǎn)的S4800冷發(fā)射掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀察磨痕表面，并用其自帶的能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)測試磨痕中的元素質(zhì)量分數(shù)。采用OLYMPUS公司生產(chǎn)的三維形貌儀測量磨損體積。

2 結(jié)果和討論

2.1鍍層結(jié)構(gòu)和顯微硬度

鍍層與基體上各取5個點，測得顯微硬度如表1所示?？梢钥闯觯哄儗拥娘@微硬度較為均勻，在420～440 HV之間，平均顯微硬度為428 HV；而基體的平均顯微硬度為57 HV，鍍層的顯微硬度約是基體的7.5倍。

表1 鍍層與基體的顯微硬度 HV

圖1 鍍層XRD衍射圖譜

該鍍層的XRD衍射圖譜如圖1所示?？梢钥闯觯哄儗釉?θ=44°附近出現(xiàn)(111)衍射峰，在2θ=52°附近出現(xiàn)(200)衍射峰，且(111)衍射峰強度遠大于(222)衍射峰強度，鍍層表現(xiàn)出(111)晶面擇優(yōu)取向，呈單相的面心立方結(jié)構(gòu)。

2.2磨痕形貌及磨損機制

摩擦副為GCr15鋼球時鍍層磨痕表面形貌SEM圖如圖2所示?？梢钥闯觯寒擣=10 N時，鍍層磨痕表面較為平整，存在片狀剝落，呈現(xiàn)粘著磨損；當F=20 N時，出現(xiàn)明顯塑性變形，剝落面積變大，表面破壞嚴重，粘著磨損加劇，且磨痕里出現(xiàn)裂紋，表明還伴有疲勞磨損；當F=40 N時，磨痕表面出現(xiàn)大面積剝落，磨損程度加劇。分析其原因為:施加載荷增大會引起磨痕表面磨損程度加劇，當施加載荷增加到一定程度時，接觸應(yīng)力使磨痕表面產(chǎn)生塑性變形，在剪切和塑變作用下，接觸表面不可避免地產(chǎn)生粘著直至脫落，使得磨痕局部區(qū)域出現(xiàn)明顯剝落[7]，表現(xiàn)出典型的粘著磨損特征[8]。對比圖2(a)、(b)可知：當施加載荷不變、頻率增大1倍時，鍍層磨損程度加劇，表面呈現(xiàn)出更加典型的粘著磨損。這說明增大頻率與施加載荷均能使鍍層出現(xiàn)明顯的粘著磨損。

摩擦副為Si3N4陶瓷球時鍍層磨痕表面形貌SEM圖如圖3所示。可以看出：與摩擦副為GCr15鋼球相比，磨痕表面更加光滑；當F=10 N時，鍍層表面有犁溝狀劃痕出現(xiàn)，且有磨屑存在，說明此時主要磨損方式為磨粒磨損，在反復(fù)摩擦作用下鍍層磨損表面出現(xiàn)了一些微裂紋，說明還存在輕微疲勞磨損[9]；當F=40N時，鍍層表面磨痕沿往復(fù)運動方向發(fā)生塑性變形，且犁溝變寬，磨粒磨損加劇。

圖2 摩擦副為GCr15鋼球時鍍層磨痕表面形貌SEM圖

圖3 摩擦副為Si3N4陶瓷球時鍍層磨痕表面形貌SEM圖

2.3磨損體積和摩擦因數(shù)

圖4為鍍層在不同施加載荷與摩擦副下的摩擦因數(shù)變化曲線?？梢钥闯觯寒斈Σ粮睘镚Cr15鋼球時，F(xiàn)=10 N時的摩擦因數(shù)最小，F(xiàn)=20、40 N時摩擦因數(shù)接近，在0.8～1.0之間；當摩擦副為Si3N4陶瓷球時，F(xiàn)=20 N時摩擦因數(shù)最小，F(xiàn)=40 N時最大，在0.7～0.8之間。與GCr15鋼球相比，Si3N4陶瓷球為摩擦副時，鍍層的摩擦因數(shù)較小。

圖4 鍍層在不同施加載荷與摩擦副下的摩擦因數(shù)變化曲線

表2 磨痕中所含元素質(zhì)量分數(shù)的EDS檢測結(jié)果

表2為磨痕中所含元素質(zhì)量分數(shù)的EDS檢測結(jié)果?？梢钥闯觯寒斈Σ粮睘镚Cr15鋼球時，磨痕中的O元素較少，此外還含有少量的Fe元素；當摩擦副為Si3N4陶瓷球時，磨痕中O元素急劇增多，表明磨痕中有較多的氧化物。

圖5為不同施加載荷與摩擦副下鍍層的磨損體積?？梢钥闯觯弘S著施加載荷的增大，鍍層磨損體積隨之增大；當摩擦副為Si3N4陶瓷球時，鍍層的磨損體積遠小于摩擦副為GCr15鋼球時的磨損體積，僅為其20%～30%。這是因為：用Si3N4陶瓷球作為摩擦副時，鍍層表面摩擦產(chǎn)生高溫形成氧化物(見表2)，Ni-Co合金硬度遠小于陶瓷，氧化物多附著于鍍層磨痕表面，抵抗了陶瓷球的摩擦，減輕了磨損，此時氧化反應(yīng)層起到了保護鍍層的作用；而Ni-Co合金鍍層硬度與GCr15鋼球硬度相差不是很大，一部分氧化物附著于GCr15鋼球，鍍層表面氧化物減少，導(dǎo)致鍍層磨損嚴重。

圖5 不同施加載荷與摩擦副下鍍層的磨損體積

采用GCr15鋼球為摩擦副，施加載荷為10 N，頻率分別為5、7.5、10 Hz時，測得的磨損體積和摩擦因數(shù)變化曲線分別如圖6、7所示。由圖6可以看出：鍍層磨損體積隨頻率的增大而逐漸增大，但增幅較小。由圖7可以看出：與f=5 Hz時相比，f=7.5、10 Hz時的摩擦因數(shù)波動明顯增大。從以上實驗可以看出：頻率對鍍層的摩擦磨損性能影響較小，施加載荷與摩擦副是影響鍍層磨損的主要因素。

圖6 3種頻率下的磨損體積

圖7 3種頻率下鍍層摩擦因數(shù)變化曲線

3 結(jié)論

采用電沉積技術(shù)制備了Ni-Co合金鍍層，表征了鍍層的顯微硬度和相結(jié)構(gòu)，考察了不同載荷、頻率、摩擦副下的摩擦學(xué)性能。結(jié)果表明：該Ni-Co合金鍍層硬度約為428 HV，晶面表現(xiàn)出明顯的(111)擇優(yōu)取向，鍍層呈現(xiàn)出面心立方結(jié)構(gòu)；施加載荷和頻率增大，Ni-Co合金鍍層磨損體積隨之增大；同等條件下，當摩擦副為GCr15鋼球時，磨損方式主要為粘著磨損，磨損體積和摩擦因數(shù)較大；當摩擦副為Si3N4陶瓷球時，鍍層的磨損方式主要為磨粒磨損，鍍層磨損體積較小，摩擦因數(shù)也略低。該鍍層在與高硬度的物質(zhì)發(fā)生摩擦?xí)r，具有較好的耐磨性。

由于Ni-Co合金鍍層具有較好的高溫穩(wěn)定性，常被用于高溫環(huán)境，下一步將繼續(xù)研究該Ni-Co合金鍍層的高溫耐磨性。

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[3] 三谷和久,橋田和夫,周康.改善連鑄銅板耐磨性能的Ni-Co合金的特性[J].連鑄,1999(6):35-36.

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(責(zé)任編輯: 尚菲菲)

EffectofLoadonWearResistanceofNi-CoAlloyCoating

LIU Ji-yun, ZHAO Yang, DONG Shi-yun, XU Bin-shi

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing100072, China)

In order to investigate the friction and wear of Ni-Co alloy coating under different conditions, the Ni-Co alloy coating is prepared by electrodeposition. Its microhardness and phase structure are chara-cterized by X-Ray Diffractometer(XRD) and microhardness tester. The tribological properties of coating are investigated by the CETR-UMT-3tribometer, Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive Spectrometer (EDS) and three-dimension profilometer under different loads, frequencies and friction pairs. The results show that the microhardness is428HV and the coating has face-centered cubic structure; The wear volumes increase with the increase of loads and frequencies; after sliding against the GCr15ball, the adhesive wear is dominated; after sliding against the Si3N4ceramic ball，the abrasive is dominated and the wear volume and the Coeffcient Of Friction(COF) of Ni-Co electrodeposited coating is less than that against the GCr15ball.

Ni-Co alloy coating; wear-resisting property; electroposition; load

1672-1497(2017)04-0106-05

2017-05-31

國家重點研發(fā)計劃基金資助項目(2016YFB1100205)

劉霽云(1992-)，男，碩士研究生。

TQ153.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2017.04.020