液壓活塞桿上電鍍鐵鎳鎢和鎳鎢磷合金的耐磨和耐蝕性能比較

張青芳*，雷同鑫

（1.長沙醫(yī)學院化學教研室，湖南 長沙 410219；2.湖南納菲爾新材料科技股份有限公司，湖南 長沙 410200）

液壓活塞桿上電鍍鐵鎳鎢和鎳鎢磷合金的耐磨和耐蝕性能比較

張青芳1,*，雷同鑫2

（1.長沙醫(yī)學院化學教研室，湖南 長沙 410219；2.湖南納菲爾新材料科技股份有限公司，湖南 長沙 410200）

在45鋼表面電鍍了Fe-Ni-W和Ni-W-P合金。對比了兩種鎢合金鍍層熱處理后的顯微硬度、元素組成和結(jié)晶情況，通過磨擦磨損試驗、中性鹽霧試驗和浸泡腐蝕試驗比較了它們的耐磨和耐蝕性能。Fe-Ni-W和Ni-W-P合金鍍層均光亮、平滑，晶粒尺寸均在10 ～ 40 nm范圍內(nèi)，摩擦因數(shù)分別為0.086 1和0.094 4。Ni-W-P合金鍍層的耐蝕性優(yōu)于Fe-Ni-W合金鍍層，經(jīng)中性鹽霧試驗、5%鹽酸浸泡和5% NaOH溶液浸泡96 h后依舊光亮，沒有銹蝕點。

鐵鎳鎢合金；鎳鎢磷合金；電鍍；耐磨性；耐蝕性；液壓活塞桿

Abstract:Fe-Ni-W and Ni-W-P alloy coatings were electroplated on the surface of 45 steel, respectively.The microhardness, elemental composition and crystallization state of the two kinds of tungsten alloy coatings after heat treatment were compared, and their wear and corrosion resistance were compared through friction and wear test, neutral salt spray test and immersion corrosion test.Both Fe-Ni-W and Ni-W-P alloy coatings are bright and smooth with a grain size in the range of 10-40 nm.The friction coefficient is 0.086 1 for Fe-Ni-W alloy coating and 0.094 4 for Ni-W-P.The Ni-W-P alloy coating is still bright without any rust spot on its surface after neutral salt spray test and immersion in 5% hydrochloric acid or 5% NaOH solution for 96 h, showing a better corrosion resistance than the Fe-Ni-W alloy coating.

防止損害官兵正當權(quán)利。目前，官兵的薪資、住房、醫(yī)療、休假、優(yōu)待撫恤等權(quán)利分散地體現(xiàn)在相關(guān)軍事法規(guī)制度中，在實施過程中存在各種人為裁量的因素，容易損害官兵正當權(quán)利。推行軍隊行政權(quán)力清單制度，通過對權(quán)力運行的規(guī)范和監(jiān)督，能有效防止損害官兵正當權(quán)利的行為。再者，軍隊行政權(quán)力清單制度使得軍隊行政權(quán)力很大程度上面向廣大官兵公開，因而能切實尊重和維護廣大官兵對軍隊重大問題的知情權(quán)、建議權(quán)、參與權(quán)和監(jiān)督權(quán)，保障廣大官兵的民主權(quán)利。

Keywords:iron-nickel-tungsten alloy; nickel-tungsten-phosphorus alloy; electroplating; wear resistance; corrosion resistance; hydraulic piston rod

事情是這樣的，那天，當我穿過教學樓大廳走到儲物柜附近時，聽到幾個同學正在閑聊?！拔矣X得他看起來像個半獸人。”這是朱利安的聲音，我一聽便知。接下來是周圍的一片附和聲?！翱赡銥槭裁纯偤退谝黄鹧剑俊敝炖蚕蛏砼砸粋€打扮成“木乃伊”模樣的同學發(fā)問?！鞍?，我也不知道，開學時校長圖什曼吩咐我多和他在一起，我雖然不怎么情愿，可也得聽校長的話呀?！闭f完，“木乃伊”聳了聳肩。??！這是杰克常做的招牌動作?。∑綍r，朱利安對我的歧視是明目張膽的，可杰克總是表現(xiàn)出對我關(guān)愛有加的樣子??！他怎么可以這樣？我轉(zhuǎn)身離開，沒有引起任何人的注意，然后去洗手間痛哭了一場。

First-author’s address:Teaching and Research Section of Chemistry, Changsha Medical University, Changsha 410219,China

基體為直徑8 mm、長50 mm的液壓活塞桿，由湖南三一重工股份有限公司提供，材質(zhì)為45鋼。工藝流程為：金屬清洗劑清洗→電解活化→電鍍(110 ～ 120 μm)→熱處理(600 °C，3 h，空冷，采用加液蠟的麻纖維拋光輪在數(shù)控拋光機上進行粗拋和細拋以去除氧化層)。

目前鎢合金電鍍應(yīng)用較多的鍍種有Fe-Ni-W和堿性Ni-W-P，這兩種鍍層的外觀和性能良好，深鍍能力強[5-7]，已經(jīng)應(yīng)用于多種工件[8-9]，可替代鍍鉻，但在液壓活塞桿上電鍍鎢合金尚未見報道。本文在45鋼上分別電鍍Fe-Ni-W和堿性Ni-W-P，對比了這兩種鍍層的微觀結(jié)構(gòu)、耐磨性能和耐腐蝕性能，為液壓活塞桿的試制提供一定的參考。

1 實驗

1.1 Fe-Ni-W 和 Ni-W-P 合金電鍍

液壓缸是將液壓能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能的元件，做直線往復運動或擺動。液壓缸基本上由缸筒和缸蓋，活塞和活塞桿，密封裝置，緩沖裝置以及排氣裝置組成[1]，最常見的材質(zhì)是45鋼、20鋼和27SiMn。其結(jié)構(gòu)簡單，用來實現(xiàn)往復運動時可免去減速裝置，并且沒有傳動間隙，運動平穩(wěn)，因此在各種機械的液壓系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。使用時由于外界環(huán)境的影響，活塞桿容易出現(xiàn)劃傷、磨損和腐蝕，因此常對活塞桿表面進行電鍍鉻，包覆陶瓷，或熱噴涂[2-4]，以提高它的防腐耐磨性能。鍍鉻工藝環(huán)境污染嚴重，鍍鉻中使用的六價鉻具有劇毒性。包覆陶瓷則很難獲得較好的機械性能。至于熱噴涂，技術(shù)尚不成熟且成本較高。

從圖3(圖3b中負值表示凹陷深度，正值表示突出的高度)可知，F(xiàn)e-Ni-W和Ni-W-P合金鍍層的平均摩擦因數(shù)分別為0.086 1和0.094 4，平均磨損深度分別為1.5 μm和2.8 μm，說明在相同試驗條件下，F(xiàn)e-Ni-W有更優(yōu)異的耐磨性能。

1.2 鎢合金鍍層的性能表征

生產(chǎn)過程中，電鍍Fe-Ni-W消耗鎢酸鈉的量是電鍍Ni-W-P的1.5倍左右。由于鎢酸鈉的價格高，因此電鍍Fe-Ni-W的原料成本相對較高。另外Fe-Ni-W的鍍速比Ni-W-P慢，人工和時間成本也較高。Ni-W-P鍍液對Fe的容忍度有限，而鍍液中鐵雜質(zhì)的引入在所難免，因此Ni-W-P鍍液的維護和處理成本比Fe-Ni-W鍍液高。綜合考慮，Ni-W-P在成本核算上稍顯優(yōu)勢。

采用HV-1000維氏顯微硬度計(上海泰明光學儀器有限公司)測鍍層的顯微硬度，載荷200 g，加載時間20 s。每個試片隨機測5點，取平均值。

50 mm × 30 mm × 1 mm的304不銹鋼板經(jīng)金屬清洗劑清洗后，不電解活化而直接在電流密度10 A/dm2下電鍍鎢合金10 min。鍍層在不銹鋼板上的附著力小，因此折彎后直接用鑷子取下鍍層并稱量，用體積比為1∶2的氫氟酸和濃硝酸混合液加熱溶解、稀釋，然后分別參照文獻[11]、GB/T 223.23-2008《鋼鐵及合金 鎳含量的測定 丁二酮肟分光光度法》、HJ/T 345-2007《水質(zhì) 鐵的測定 鄰菲羅啉分光光度法》和GB/T 13913-2008《金屬履蓋層 化學鍍鎳-磷合金鍍層規(guī)范和試驗方法》的附錄D，測定鍍層中鎢、鎳、鐵和磷的含量。

由圖1可知，每隔24 h測定的AWCD值隨著培養(yǎng)時間的延長均呈增大趨勢，這表明不同植被恢復模式土壤微生物利用碳源的量隨著培養(yǎng)時間的延長均逐漸增大，但不同植被恢復模式相對于自然恢復土壤微生物利用碳源的 AWCD值大小有顯著不同。土壤微生物群落AWCD值均在24~144 h內(nèi)迅速升高，之后緩慢地升高最后趨于穩(wěn)定。AWCD值的快速增加表明土壤碳源被土壤微生物大量利用，土壤微生物進入指數(shù)生長期。

參照GB/T 10125-2012《人造氣氛腐蝕試驗 鹽霧試驗》對鎢合金試樣進行中性鹽霧試驗。在(35 ± 1) °C、pH = 7.0 ～ 7.2的條件下，向鹽霧箱中持續(xù)噴灑質(zhì)量分數(shù)為5%的NaCl溶液，96 h后將試樣取出，沖洗并吹干。另外，將試樣分別浸入5%(質(zhì)量分數(shù))鹽酸和NaOH溶液中評價鍍層的耐蝕性。

在當下互聯(lián)網(wǎng)時代，標準化研究機構(gòu)無論是發(fā)布相關(guān)通知，還是展示工作成果，抑或是提供各種信息和服務(wù)，門戶網(wǎng)站都是最主要的途徑之一。門戶網(wǎng)站的設(shè)計情況也就直接體現(xiàn)該機構(gòu)品牌的建設(shè)情況。按照目前32家標準化研究機構(gòu)的門戶網(wǎng)站設(shè)計情況，以名稱的相符性為界，可以將門戶網(wǎng)站分為三類：第Ⅰ類，網(wǎng)站名稱與標準化研究機構(gòu)名稱一致；第Ⅱ類，網(wǎng)站名稱與標準化研究機構(gòu)名稱不一致；第Ⅲ類，未建立門戶網(wǎng)站，或網(wǎng)站設(shè)計不明確、基本功能較欠缺，或網(wǎng)站訪問不穩(wěn)定，或難以通過搜索引擎找到網(wǎng)站地址等。32家標準化研究機構(gòu)網(wǎng)站分類情況見圖3。

在德國SST-ST銷盤式摩擦磨損試驗機上進行耐磨性測試。載荷100 N，對偶件為直徑8 mm的GCr15鋼球，滑動速率0.21 m/s，潤滑介質(zhì)為SAE10W-40SL潤滑油，環(huán)境溫度20 °C，相對濕度50% ～ 65%，時間60 min。試驗完畢，采用日立公司的S-3500N掃描電鏡(SEM)觀察鎢合金鍍層的磨損形貌。

國有企業(yè)在內(nèi)部監(jiān)督體系的建設(shè)上也存在問題。例如：在內(nèi)部審計制度設(shè)計上審計設(shè)計流程缺乏科學性，對審計的管理缺乏規(guī)范性，審計人員的安排上缺乏合理性?，F(xiàn)階段我國國有企業(yè)的管理層主要是由政府部門委派，這就形成企業(yè)內(nèi)部財務(wù)管理人員、內(nèi)部審計人員在企業(yè)中的地位并不高，特別是在內(nèi)部審計工作中缺乏獨立性和權(quán)威性，審計人員對審計中出現(xiàn)的問題得不到企業(yè)管理層的重視。長此下去，必將打擊審計人員的工作積極性，，還很容易滋生各種腐敗現(xiàn)象。

采用日本理學D/max-r A型X射線衍射儀(XRD)分析熱處理后鎢合金的結(jié)構(gòu)，Cu靶，Kα輻射。

2 結(jié)果與討論

2.1 兩種鎢合金鍍層熱處理后的結(jié)合力、顯微硬度和元素組成

兩種鍍層表面光亮、平滑，無針孔和裂紋，銼刀試驗后都沒有起皮或脫落，說明它們在基體上的附著強度好。從表1可知，F(xiàn)e-Ni-W鍍層中的鎢含量比Ni-W-P合金鍍層高，但鎳含量比后者低。另外，F(xiàn)e-Ni-W合金鍍層的顯微硬度比Ni-W-P合金鍍層高出約25%。鎳鎢體系合金鍍層的顯微硬度與鎢含量呈正比，鎢含量越高，熱處理后鍍層的顯微硬度也越高[12]。兩種鍍層元素組成的不同也使得它們在耐磨和耐蝕性方面有一定的差異。

表1 熱處理后兩種鎢合金鍍層的元素組成和顯微硬度Table 1 Element composition and microhardness of two kinds of tungsten alloy coatings after heat treatment

2.2 兩種鎢合金鍍層熱處理后的XRD譜圖

圖2顯示，兩種鎢合金鍍層在摩擦磨損試驗后均發(fā)生應(yīng)變疲勞磨損，但Fe-Ni-W合金鍍層表面只有輕微而模糊的磨痕以及細而淺的犁溝，Ni-W-P鍍層表面則出現(xiàn)嚴重而清晰的磨痕，有嚴重的脫落和粘附。與Ni-W-P合金鍍層相比，F(xiàn)e-Ni-W合金鍍層含較少的鎳和較多的鎢，鎳的粘著能比鐵大，當摩擦熱使鎳在接觸界面與鐵粘著時，鐵的粘著強度會比鎳的粘著強度高[14]，粘著后再拉開時，斷裂必將發(fā)生在這些金屬內(nèi)部而不是界面處，因而會發(fā)生材料的轉(zhuǎn)移，出現(xiàn)粘附現(xiàn)象；相反，由于鎢的粘著強度比鐵小，即鎢界面的粘著強度比鐵的粘著強度高，因而不易產(chǎn)生粘著。另外，F(xiàn)e-Ni-W表面可見微裂紋，可能是由于其內(nèi)應(yīng)力過大，而Ni-W-P表面平整，無裂紋。

圖1 熱處理后兩種鎢合金鍍層的XRD譜圖Figure 1 XRD patterns for two kinds of heat-treated tungsten alloy coatings

2.3 摩擦磨損試驗結(jié)果

從圖1可以看出，熱處理后的兩種鍍層都在2θ = 44°附近出現(xiàn)較尖銳的衍射峰，對應(yīng)Ni(111)晶面；在2θ = 52°附近則均出現(xiàn)較矮的饅頭峰，對應(yīng)Ni(200)晶面。Fe-Ni-W合金在2θ = 76°處出現(xiàn)很弱的衍射峰，對應(yīng)Ni(220)晶面。兩種鍍層的XRD譜中都只出現(xiàn)與Ni相近的特征峰，說明兩種鍍層在結(jié)構(gòu)上都是以Ni作為溶劑，F(xiàn)e、W 作為溶質(zhì)的置換性固溶體。鎢的原子半徑較大，它的存在會導致晶格發(fā)生畸變，Ni的一些特征衍射峰減弱[13]。當鎢含量達到一定程度后，它所造成的晶格畸變過大，破壞了晶體結(jié)構(gòu)的長程有序性，從而導致鍍層向非晶結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變。Fe-Ni-W合金的特征衍射峰更寬，衍射強度低，這可能是由于其中鎢含量較高，熱處理后晶化的程度不高，而Ni-W-P合金的衍射峰更尖銳，說明其晶化程度更明顯。按Scherrer公式算得兩種鎢合金鍍層的晶粒尺寸在10 ～ 40 nm范圍內(nèi)，具有納米結(jié)構(gòu)。

圖 2 熱處理后 Fe-Ni-W(左)和 Ni-W-P(右)合金鍍層的磨損形貌Figure 2 Wear morphologies of two kinds of heat-treated Fe-Ni-W (left) and Ni-W-P (right) alloy coatings

電鍍 Fe-Ni-W 合金和 Ni-W-P合金的鍍液配方均由湖南納菲爾科技有限公司提供。電鍍 Fe-Ni-W合金的配方為：NiSO4·6H2O 22 g/L，F(xiàn)eSO4·7H2O 10 g/L，Na2WO4·2H2O 40 g/L，YC-4 添加劑 10 ～ 80 g/L，pH 7 ～ 8。電鍍 Ni-W-P 合金的配方為：NiSO4·6H2O 15 g/L，NaH2PO2·H2O 20 g/L，Na2WO4·2H2O 30 g/L，YC-5202添加劑 10 ～ 80 g/L，pH 7 ～ 8。電流密度均為 8 ～ 10 A/dm2，溫度為 75 °C。所用試劑均為工業(yè)純，鍍液用去離子水配制。

圖3 熱處理后兩種鎢合金鍍層的摩擦因數(shù)和磨損深度Figure 3 Friction coefficient and wear depth of two kinds of heat-treated tungsten alloy coatings

2.4 耐腐蝕試驗結(jié)果

從表2可知，兩種電鍍鎢合金的樣品都具有較好的耐蝕性，鹽霧試驗和鹽酸浸泡48 h都沒有出現(xiàn)銹點，在堿性介質(zhì)中浸泡96 h幾乎沒有腐蝕現(xiàn)象。中性鹽霧試驗或酸性介質(zhì)浸泡96 h后，F(xiàn)e-Ni-W合金鍍層表面出現(xiàn)銹點，而Ni-W-P鍍層沒有銹點，依然光亮，說明Ni-W-P合金鍍層具有比Fe-Ni-W合金鍍層更好的耐蝕性，可能是因為Ni-W-P合金鍍層無微裂紋。

表2 熱處理后兩種鎢合金鍍層的中性鹽霧和浸泡腐蝕試驗結(jié)果Table 2 Neutral salt spray and immersion test results two kinds of heat-treated tungsten alloy coatings

2.5 成本分析

采用銼刀法定性檢驗鍍層與基體的結(jié)合力[10]：將Fe-Ni-W和Ni-W-P鍍件夾在臺鉗上，用粗齒銼刀挫鍍件的邊棱，挫動的方向是從基體至鍍層，銼刀與鍍層表面約呈45°角。

3 結(jié)論

在有潤滑介質(zhì)存在的情況下，F(xiàn)e-Ni-W合金鍍層的耐磨性稍優(yōu)于Ni-W-P合金鍍層，但Ni-W-P合金鍍層的耐蝕性明顯強于Fe-Ni-W合金鍍層，這可能與Fe-Ni-W鍍層有微裂紋有關(guān)。因此，在試制和生產(chǎn)中，液壓缸活塞桿大部分采用Ni-W-P電鍍工藝，以提高防腐和耐磨性能，從而延長使用壽命。

式中：QL為熱對流的傳熱量；α為對流換熱系數(shù)；A0為對流散熱面積；TN為熱源溫度；Tf為內(nèi)部氣隙溫度，近似等于外殼內(nèi)表面溫度。則對流熱傳遞的熱阻RL可通過所傳遞的對流熱量和內(nèi)部導體與外殼金屬部分內(nèi)表面之間的溫差表示：

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[ 編輯：周新莉 ]

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Comparison of wear and corrosion resistance of iron-nickel-tungsten and nickel-tungsten-phosphorus alloy coatings electroplated on hydraulic piston rod

ZHANG Qing-fang*, LEI Tong-xin

TQ153.2

A

1004 - 227X (2017) 17 - 0932 - 04

2017-05-02

2017-08-26

張青芳（1985-），女，湖南岳陽人，講師，主要研究方向為電化學分析，

作者聯(lián)系方式：(E-mail) 187364593@qq.com。

10.19289/j.1004-227x.2017.17.007