鎳磷基鍍層耐磨性的影響因素

袁皓， 葉雄， 唐振

（陸軍裝甲兵學(xué)院，北京 100072）

0 引言

Ni-P基鍍層具有高硬度、高耐磨性及較好的耐蝕性等優(yōu)異的性能[1]，應(yīng)用十分廣泛。然而在現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展過程中，對(duì)Ni-P基鍍層及其復(fù)合鍍層提出了越來越高的要求。Ni-P基鍍層耐磨性是衡量鍍層性能的重要指標(biāo)。本文主要概述了幾種影響Ni-P基鍍層耐磨性的主要因素。

1 鍍層化學(xué)成分的影響

1.1 P含量的影響

鎳磷鍍層中的P含量可通過調(diào)整制備工藝來控制，而不同P含量又導(dǎo)致鍍層的組織結(jié)構(gòu)不同，如非晶、納米晶或者混合晶等[2-3]。利用化學(xué)鍍方法制備的Ni-P鍍層中P含量就對(duì)鍍層結(jié)構(gòu)有這樣的影響：鍍層呈現(xiàn)晶態(tài)（1%～6%）→混晶態(tài)（微晶+非晶）（6%～9%）→非晶態(tài)（9%～15%）[4]。復(fù)合鍍層中P含量較低時(shí)存在壓應(yīng)力，鍍層磨損量較低。P含量較高時(shí)存在拉應(yīng)力，鍍層脆性脫落嚴(yán)重，磨損量增大。對(duì)于Ni-P鍍層，隨著鍍層中P含量的增大，拉應(yīng)力逐漸增大，磨損加劇。而P含量較低時(shí)，表現(xiàn)為黏著磨損[5]。鍍層組織結(jié)構(gòu)按規(guī)律轉(zhuǎn)變時(shí)，硬度逐漸下降，而鍍態(tài)鍍層耐磨性一般會(huì)隨著硬度的降低而被削弱，所以P含量的提高會(huì)降低鍍態(tài)鍍層的耐磨性[6-9]。

1.2 其他元素的影響

加入其他化學(xué)元素有利于提高Ni-P鍍層的耐磨性，如W、Cr、Fe、Co，以及Cu元素等。Palaniappa M等[10]在Ni-P鍍層中加入W元素，發(fā)現(xiàn)W元素可提高鍍層的高溫耐磨性。這是因?yàn)閃元素抑制Ni3P相的析出，Ni3P相較為細(xì)小，進(jìn)一步又抑制Ni晶粒的長(zhǎng)大，導(dǎo)致鍍層的晶粒細(xì)小，組織結(jié)構(gòu)均勻致密，從而其硬度以及耐磨性大幅改善。然而有研究表明[11]，W元素不是越高越好。例如在鋁基體上化學(xué)鍍Ni-W-P時(shí)，W含量會(huì)導(dǎo)致鍍層破裂甚至剝落。這是由于鋁基體的熱膨脹系數(shù)與鍍層的不同，鋁基體內(nèi)部存在張應(yīng)力，而鍍層內(nèi)部存在壓應(yīng)力，W的加入進(jìn)一步導(dǎo)致內(nèi)應(yīng)力的增大，導(dǎo)致鍍層開裂甚至剝落，鍍層的耐磨性隨之下降。也有研究發(fā)現(xiàn)，稀土元素會(huì)導(dǎo)致Ni-P鍍層耐磨性下降，究其原因，稀土元素導(dǎo)致鍍層的硬度下降，耐磨性隨之下降[12]。

1.3 第二相顆粒的影響

第二相顆粒也可提高Ni-P鍍層的耐磨性，如Al2O3顆粒和SiC顆粒等。王蘭等[13]研究發(fā)現(xiàn)，在Ni-P鍍層中加入SiC顆粒后，可促使?jié)櫥湍さ男纬?。同時(shí)SiC顆粒在鍍層中彌散分布，可以提高鍍層的耐磨性。頓愛歡等[14]的研究結(jié)果表明，Al2O3顆粒不僅可以起到彌散強(qiáng)化的作用，并且在鍍層晶化過程中，可增加鍍層晶體形核率，同時(shí)還能抑制晶粒生長(zhǎng)，使得鍍層的晶粒細(xì)小，進(jìn)一步導(dǎo)致鍍層耐磨性得到了提高。金亞旭等[15]的研究發(fā)現(xiàn)，加入了鈦酸鉀的鍍層比Ni-P鍍層的耐磨性要好。因?yàn)镹i-P-PTW鍍層的“鑲嵌-包埋”結(jié)構(gòu)有利于磨損過程中的自動(dòng)補(bǔ)償。即在磨損過程中，凸起的鈦酸鉀晶須被削斷，從鍍層上脫落下來，填充到凹凸不平的鍍層表面上去，使得兩摩擦副之間有一層致密的保護(hù)膜，阻斷了兩摩擦副的直接接觸。同時(shí)鈦酸鉀晶須自身高強(qiáng)高韌性以及塑變抗力，可起到“滾珠軸承”作用，提高了鍍層的耐磨性。

2 鍍層與基體間結(jié)合力的影響

Ni-W-P鍍層經(jīng)過熱處理后，鍍層與基體之間會(huì)形成擴(kuò)散層，這層擴(kuò)散層有增強(qiáng)鍍層與基體結(jié)合力的作用，進(jìn)而提高鍍層的耐磨性[16-17]。分析后認(rèn)為，鍍層與基體的交界處形成了Ni-Fe合金擴(kuò)散層，增強(qiáng)了鍍層與基體間的結(jié)合力，同時(shí)鍍層內(nèi)部的孔洞數(shù)量減少，鍍層更加致密[18]，從而使鍍層的耐磨性得到了提高。胡永俊等[11]在鋁基體上電沉積Ni-W-P后，又對(duì)其進(jìn)行熱處理，發(fā)現(xiàn)較低溫度（200℃）的熱處理不能使鍍層與基體之間形成擴(kuò)散層，而高于400℃以上時(shí)，會(huì)形成包含Ni和Al的中間化合物的擴(kuò)散層。從而提高了界面結(jié)合力，改善了鍍層的耐磨性。Tsai Y Y等[19]的研究結(jié)果表明，Ni-W-P鍍層裂紋的尺寸和數(shù)量都較Ni-P鍍層的少，因此其耐磨性也較好。

3 鍍層硬度的影響

硬度可直接影響Ni-P基鍍層的耐磨性，這是因?yàn)镹i-P基鍍層中一般含有Ni3P相，Ni3P對(duì)鍍層具有彌散強(qiáng)化的作用，并且對(duì)Ni晶體具有固溶強(qiáng)化的作用，硬度高的鍍層耐磨性好[20-21]。有研究表明[4]：鍍態(tài)為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的合金鍍層，在Ni3P相析出之前，鍍層硬度較低，耐磨性較差。對(duì)鍍層進(jìn)行晶化處理后，若鍍層中仍有較多的非晶相，雖然Ni3P相硬度高，但由于非晶相硬度較低，使得基體對(duì)強(qiáng)化相Ni3P支撐不足，仍然會(huì)使鍍層的耐磨性較差。當(dāng)強(qiáng)化相Ni3P晶粒細(xì)小、均勻地分布在晶態(tài)的Ni基體中時(shí)，鍍層的整體硬度提高，同時(shí)給予強(qiáng)化相Ni3P足夠的支撐，從而最大程度地發(fā)揮鍍層的耐磨性。

4 激光處理的影響

對(duì)Ni-P基鍍層進(jìn)行激光掃描，可以使得鍍層析出Ni3P相、發(fā)生晶化等，致使鍍層的耐磨性得到提高。不同參數(shù)的激光對(duì)鍍層的影響也不同，當(dāng)激光掃描速度較慢時(shí)，外界對(duì)鍍層的入射能量較大，鍍層中會(huì)析出Ni3P相，而且一旦析出便會(huì)聚集以及長(zhǎng)大等，鍍層中晶粒就會(huì)發(fā)生粗化，鍍層的耐磨性較差，反之亦然[22]。研究者發(fā)現(xiàn)激光處理對(duì)鍍層的處理效果優(yōu)于熱處理的效果，這是由于激光的能量密度很高，對(duì)鍍層進(jìn)行處理時(shí)，鍍層內(nèi)析出的Ni3P相比熱處理的要多，而且尺寸較熱處理后的小，造成鍍層中更大的晶格畸變，鍍層的耐磨性提高[23]。

5 熱處理的影響

謝維立等[24]發(fā)現(xiàn)經(jīng)180℃熱處理的試樣耐磨性最好。人們對(duì)熱處理過程中Ni-P鍍層的相變行為進(jìn)行了大量的研究，通常認(rèn)為，熱處理能夠使得鍍層析出Ni3P，是Ni-P鍍層表面顯微硬度得到提高的主要機(jī)制，從而改善鍍層的硬度，進(jìn)而鍍層的耐磨性得到提高[25-26]。鄭曉華等[27]發(fā)現(xiàn)，微晶結(jié)構(gòu)的Ni-P合金鍍層經(jīng)過400℃熱處理后，鍍層硬度達(dá)到最大值，此時(shí)的鍍層耐磨性最優(yōu)。王文昌、王麗麗等[28-29]對(duì)非晶態(tài)Ni-P鍍層熱處理，結(jié)果表明，熱處理顯著提高鍍層的耐磨性，但是熱處理時(shí)間對(duì)鍍層耐磨性的影響很小。還有研究發(fā)現(xiàn)，鍍層耐磨性隨著退火溫度的升高而提升[30-31]。王政君等[32]在不同的熱處理溫度下加熱Ni-P鍍層，結(jié)果表明經(jīng)500℃熱處理后，鍍層由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，同時(shí)Ni3P相析出，鍍層的耐磨性顯著提高。

6 攪拌方式的影響

制備Ni-P基復(fù)合鍍層時(shí)，通常所用的攪拌方式有超聲攪拌和機(jī)械攪拌，實(shí)驗(yàn)研究表明，混合攪拌方式的效果優(yōu)于單一攪拌方式[33]。超聲攪拌有利于顆粒在鍍層中的均勻分布，但是過強(qiáng)的超聲攪拌會(huì)導(dǎo)致顆粒無法有效地復(fù)合到鍍層中，導(dǎo)致顆粒含量較低，鍍層的耐磨性較差?；旌蠑嚢杓嫒萘藱C(jī)械攪拌和超聲攪拌的優(yōu)點(diǎn)，既能提高鍍層中顆粒的分布均勻性，同時(shí)還能提高顆粒含量，能夠進(jìn)一步提高鍍層的耐磨性。復(fù)合鍍層在磨損過程中，首先是鎳磷鍍層脫落，之后鍍層內(nèi)部的顆粒開始顯露，起到支撐載荷的作用，即提高鍍層內(nèi)部的顆粒含量和均勻性有利于提高鍍層的耐磨性。

7 結(jié)論

Ni-P基鍍層的耐磨性受多方面因素的影響，包括化學(xué)成分、與基體的結(jié)合力、激光參數(shù)、熱處理、攪拌方式等。這些因素主要是通過影響鍍層的硬度，進(jìn)而影響鍍層的耐磨性，一般來說，鍍層的硬度越高，耐磨性越好。其中鍍層與基體的結(jié)合力還受鍍層內(nèi)的裂紋數(shù)量和尺寸的影響。