cBN 微粒粒徑及含量對(duì)Ni-cBN 復(fù)合鍍層結(jié)構(gòu)及高溫耐磨性的影響

劉靜，王帥星，王萬(wàn)成，汪鎮(zhèn)濤，楊由凱,3，杜楠

（1.中國(guó)航發(fā)西安動(dòng)力控制有限公司，西安 710077；2. 南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，南昌330063；3.中國(guó)航發(fā)南京輕型航空動(dòng)力有限公司，南京 210000）

航空發(fā)動(dòng)機(jī)中許多關(guān)鍵部件（壓氣機(jī)葉片葉尖、封嚴(yán)篦齒等）工作在高溫、高速旋轉(zhuǎn)等惡劣工況下，表面磨損是其主要的失效方式之一[1-2]。為了提高這些關(guān)鍵零組件的使用壽命和可靠性，往往需要涂覆高溫耐磨涂層。目前，熱噴涂、激光熔覆、電沉積是制備高溫復(fù)合涂層的主要技術(shù)手段[3-6]。

復(fù)合電沉積是通過(guò)電沉積方法使金屬與固體微粒發(fā)生共沉積而形成鍍層，因其制備工藝簡(jiǎn)單、涂層成分設(shè)計(jì)范圍寬等優(yōu)點(diǎn)，在制備耐磨鍍層上更具競(jìng)爭(zhēng)力。目前，Ni-金剛石、Ni-SiC、Ni-Al2O3等復(fù)合耐磨鍍層已得到廣泛研究，并獲得了相當(dāng)規(guī)模的工程應(yīng)用，如石油鉆探探頭的耐磨涂層、光伏行業(yè)切割硅片所用的金剛石線鋸等[7-12]。然而，金剛石、SiC 等顆粒的高溫穩(wěn)定性不佳，SiC 顆粒在800 ℃時(shí)即開(kāi)始氧化，人造金剛石在使用溫度超過(guò)600 ℃后，易與鐵系金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)[13]，不適宜用于高溫及高速摩擦環(huán)境。

cBN 具有類似金剛石的晶體結(jié)構(gòu)，硬度僅次于金剛石，但熱穩(wěn)定性遠(yuǎn)優(yōu)于金剛石，在空氣中開(kāi)始氧化的溫度達(dá)到1200 ℃，是目前已知高溫穩(wěn)定性最好的硬質(zhì)陶瓷粉體[5,12-15]。因此，若選擇cBN 顆粒作為耐磨第二相顆粒，金屬Ni 作為基體相，通過(guò)電沉積法形成Ni-cBN 復(fù)合鍍層，將有助于提高鍍層的耐磨性及高溫穩(wěn)定性。

大量研究表明，復(fù)合鍍層中顆粒的復(fù)合量決定了鍍層的摩擦學(xué)性能[9-11]，復(fù)合量多少適宜、如何提高復(fù)合量是關(guān)鍵問(wèn)題。微粒含量、攪拌方式及強(qiáng)度、電流密度等被認(rèn)為是影響鍍層中顆粒復(fù)合量的關(guān)鍵因素[8-10,16-20]，對(duì)此也形成了一些規(guī)律性的認(rèn)識(shí)。多數(shù)研究認(rèn)為，適當(dāng)提高鍍液中微粒懸浮量，有助于提高鍍層復(fù)合量，選用大粒徑的顆粒時(shí)，鍍層復(fù)合量會(huì)更高。在復(fù)合電沉積研究中，Al2O3粒徑為幾微米時(shí)，最容易沉積，且鍍層中的復(fù)合量是粒徑為0.3 μm 時(shí)的4 倍[17]；而在Ni-SiC 復(fù)合電沉積中，當(dāng)SiC 粒徑約為15 μm 時(shí)，最容易沉積[18]。納米顆粒對(duì)金屬結(jié)晶過(guò)程的擇優(yōu)取向和晶粒細(xì)化有較大的促進(jìn)作用，改性效果優(yōu)于微米級(jí)的顆粒，但非常容易團(tuán)聚[19]。周海飛等[20]還發(fā)現(xiàn)，攪拌強(qiáng)度為440～480 r/min 時(shí)，Ni-金剛石復(fù)合體系具有更大的陰極極化及更低的雙電層電容，微粒具有更高的電泳速度，鍍層復(fù)合量也更高。然而，Ni-cBN 復(fù)合電沉積體系中各因素的具體影響規(guī)律缺少數(shù)據(jù)支撐，也很少有研究系統(tǒng)地介紹顆粒粒徑對(duì)復(fù)合電沉積行為及鍍層結(jié)構(gòu)的影響。基于此，本文重點(diǎn)探討cBN 顆粒粒徑及含量等對(duì)Ni-cBN 復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)及耐磨性的影響，以求在保證鍍層/基體及顆粒/鍍層結(jié)合力的前提下，得到Ni-cBN 復(fù)合鍍層的復(fù)合量上限，最大程度發(fā)揮Ni-cBN 復(fù)合鍍層的優(yōu)勢(shì)。

1 試驗(yàn)

1.1 材料

基材選用φ20 mm×1 mm 的GH4169 合金。所用cBN 顆粒為市售商業(yè)cBN 粉，純度>99.9%。采用BT-9300H 激光粒度分布儀，測(cè)試不同cBN 顆粒的粒徑分布情況，結(jié)果見(jiàn)圖1。3 種cBN 顆粒的平均粒徑分別約為0.45 μm（取0.5 μm）、3.21 μm（取3.0 μm）、9.38 μm（取10 μm）。cBN 顆粒在使用前，先采用15%～20%（體積分?jǐn)?shù)）的鹽酸清洗顆粒中的金屬雜質(zhì)，經(jīng)多次蒸餾水過(guò)濾后，在5%～10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）的酒精溶液中攪拌處理，以提高cBN 微粒的潤(rùn)濕性。

圖1 cBN 顆粒粒度分布情況Fig.1 Size distribution of cBN microparticles with different size

1.2 復(fù)合鍍層制備

GH4169 合金復(fù)合電沉積工藝流程為：打磨→除油→活化→預(yù)鍍鎳→復(fù)合電沉積Ni-cBN→干燥。每道工序之間均用去離子水清洗。

除油液由60～80 g/L NaOH、35～55 g/L Na3PO4、30～50 g/L Na2CO3、10～20 g/L Na2SiO3和去離子水配制，溫度為60～70 ℃，除盡為止。活化液由10%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HCl 和5%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HF 組成，室溫浸泡2～3 min。預(yù)鍍鎳的目的是通過(guò)大電流閃鍍提高復(fù)合鍍層與GH4169 基體之間的結(jié)合力[21]，其配方及工藝參數(shù)為：硫酸鎳30 g/L，次亞磷酸鈉15 g/L，氯化銨50 g/L，檸檬酸鈉60 g/L，溫度80～85 ℃，電流密度4～5 A/dm2，時(shí)間10 min。Ni-cBN 復(fù)合電沉積的配方及工藝參數(shù)為：150 ～200 g/L 氨基磺酸鎳，35 g/L 硼酸，5 g/L 氯化鎳，0.1 g/L 十二烷基硫酸鈉，10～70 g/L的cBN 顆粒，溫度55～60 ℃，電流密度2～4 A/dm2。為了便于分析顆粒粒徑及含量的影響，通過(guò)控制施鍍時(shí)間以保證鍍層厚度盡量一致，鍍層厚度均約為(45±2) μm。

1.3 鍍層性能及cBN 復(fù)合量測(cè)試

試驗(yàn)后，采用 KH-7700 三維視頻顯微鏡、QUANTA-200 掃描電子顯微鏡，觀察鍍層表面微觀形貌。鍍層的硬度使用401MVD 數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)在常溫下測(cè)量，加載載荷為500 g。復(fù)合鍍層中的顆粒復(fù)合量通常用質(zhì)量分?jǐn)?shù)、體積分?jǐn)?shù)或表面積百分?jǐn)?shù)等表示[13,20,22]。鑒于顆粒在復(fù)合鍍層中往往呈彌散分布，且顆粒密度與基質(zhì)鍍層密度存在較大差異，本文選用體積分?jǐn)?shù)來(lái)表示顆粒復(fù)合量。先稱取試樣鍍前和鍍后的質(zhì)量，計(jì)算得到鍍層的總質(zhì)量（m），再將試樣放在硝酸溶液中溶解掉Ni-cBN 復(fù)合鍍層，過(guò)濾，烘干，稱量得到cBN 顆粒的質(zhì)量（mcBN），可以計(jì)算出Ni 的質(zhì)量（mNi）。由于Ni 和cBN 的密度已知，cBN顆粒復(fù)合量（VcBN）可以通過(guò)公式(1)計(jì)算得到。

式中：VcBN為鍍層中cBN 的復(fù)合量；m為復(fù)合鍍層質(zhì)量；mcBN為鍍層中cBN 顆粒的質(zhì)量；ρcBN為cBN 的密度；ρNi為Ni 的密度。

在HT-1000 型高溫球盤(pán)磨損機(jī)上進(jìn)行摩擦試驗(yàn)。摩擦副為φ5 mm 的Si3N4球，溫度為600 ℃，轉(zhuǎn)速為200 r/min，載荷為5 N，磨損軌跡半徑為5 mm，磨損時(shí)間為15 min。摩擦后，采用QUANTA-200 掃描電子顯微鏡觀察試樣的表面形貌。摩擦磨損前后，試樣在乙醇中超聲清洗10 min，風(fēng)干后用 Sartorius CP225D 型電子分析天平（精度為0.01 mg）測(cè)定試樣質(zhì)量，磨損量為：

式中：m0為磨損前試樣質(zhì)量；mi為磨損后試樣質(zhì)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍液中cBN 粒徑及含量對(duì)鍍層復(fù)合量的影響

圖2 為鍍液中cBN 粒徑及濃度對(duì)Ni-cBN 復(fù)合鍍層中cBN 含量的影響。由圖2 可以看出，隨著鍍液中cBN 顆粒添加量的增加，顆粒在陰極表面單位時(shí)間內(nèi)停留的數(shù)量增多，嵌入鍍層的幾率增大，鍍層中的cBN 復(fù)合量也逐漸增加。繼續(xù)增加鍍液中cBN 顆粒含量，單位時(shí)間內(nèi)輸送到陰極表面的cBN 顆粒數(shù)量繼續(xù)增多，但由于電流密度等參數(shù)固定，Ni2+的沉積速率不變，同時(shí)微粒在鍍液中的無(wú)規(guī)則運(yùn)動(dòng)也會(huì)對(duì)Ni2+向陰極傳輸產(chǎn)生阻礙[18]，所以鎳層能捕捉到的cBN 顆粒逐漸趨于飽和。當(dāng)cBN 顆粒質(zhì)量濃度超過(guò)70 g/L 后，鍍層中cBN 的復(fù)合量趨于平穩(wěn)。鍍液中0.5、3.0、10 μm 3 種粒徑的cBN 在鍍液中的質(zhì)量濃度均為70 g/L 時(shí)，鍍層的復(fù)合量分別為24.8%、53.4%、52.3%。

圖2 鍍液中cBN 含量及粒徑對(duì)Ni-cBN 復(fù)合鍍層復(fù)合量的影響Fig.2 Effect of the content and size of cBN particles in the solution on the composite content of Ni-cBN coating

雖然3 種粒徑的顆粒在鍍液中的濃度增加時(shí)，其鍍層復(fù)合量的變化類似，但鍍液中相同質(zhì)量濃度下，0.5 μm 粒徑的鍍層復(fù)合量明顯小于其余兩種粒徑。分析認(rèn)為，0.5 μm 的顆粒粒徑較小，相同質(zhì)量的前提下，其總表面積較大，隨著鍍液中添加的cBN 顆粒的增加，易發(fā)生輕微的團(tuán)聚，難以被鎳層捕捉[9,17,23]，與其他兩種粒徑的顆粒相比，能夠進(jìn)入鍍層的顆粒濃度較低，復(fù)合量較低。

2.2 鍍液中cBN 粒徑及含量對(duì)鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響

相同工藝條件下，改變鍍液中cBN 顆粒粒徑及含量，制備出不同復(fù)合量的Ni-cBN 復(fù)合鍍層，其表面SEM 形貌見(jiàn)圖3—5。由圖3—5 可知，通過(guò)復(fù)合電沉積，cBN 顆粒在電場(chǎng)力和機(jī)械攪拌作用下，與Ni 發(fā)生共沉積，形成了Ni-cBN 復(fù)合鍍層[13-14,20,24-25]。多數(shù)情況下，cBN 顆粒分散較均勻且被鎳包裹沉積在鍍層表面，極少位置出現(xiàn)cBN 顆粒團(tuán)聚體；且無(wú)論顆粒粒徑多大，隨著鍍液中cBN 質(zhì)量濃度的增加，鍍層表面沉積的cBN 顆粒越來(lái)越密集，并逐漸覆蓋整個(gè)鍍層表面。但cBN 復(fù)合量過(guò)高，局部鍍層表面略出現(xiàn)了凹凸現(xiàn)象。

圖3 鍍液中cBN 顆粒（粒徑～0.5 μm）含量對(duì)Ni-cBN 復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.3 Effect of the content of cBN particles with the size of ～0.5 μm in the solution on the microstructure of Ni-cBN coating

圖4 鍍液中cBN 顆粒（粒徑～3.0 μm）含量對(duì)Ni-cBN 復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 Effect of the content of cBN particles with the size of ～3.0 μm in the solution on the microstructure of Ni-cBN coating

對(duì)比不同粒徑cBN 顆粒復(fù)合的鍍層表面形貌可以看出，顆粒粒徑為0.5 μm 時(shí)，由于微粒表面能較大且潤(rùn)濕性能差[18-19]，cBN 顆粒易發(fā)生團(tuán)聚，使得Ni 鍍層中出現(xiàn)更大尺寸的二次團(tuán)聚顆粒，并且隨著顆粒復(fù)合量的增加，其團(tuán)聚現(xiàn)象愈發(fā)嚴(yán)重，團(tuán)聚體尺寸明顯更大，見(jiàn)圖3。根據(jù)圖5 顯示，當(dāng)顆粒尺寸較大（10 μm）時(shí)，顆粒在鍍液中更易分散，鍍層中幾乎沒(méi)有發(fā)生團(tuán)聚現(xiàn)象，但相同面積的Ni 層中包裹的顆粒數(shù)目明顯更少，不利于鍍覆均勻性。

圖5 鍍液中cBN 顆粒（粒徑～10 μm）含量對(duì)Ni-cBN 復(fù)合鍍層微觀結(jié)構(gòu)的影響Fig.5 Effect of the content of cBN particles with the size of ～10 μm in the solution on the microstructure of Ni-cBN coating

在含70 g/L 不同粒徑cBN 顆粒的鍍液中制備的Ni-cBN 復(fù)合鍍層的截面形貌見(jiàn)圖6。由圖6 可知，Ni-cBN 復(fù)合鍍層與GH4169 基體之間結(jié)合良好，界面處未出現(xiàn)裂紋。3 種粒徑的復(fù)合鍍層厚度均約為45 μm，且整體上看，cBN 顆粒在鍍層中分布較為均勻，但粒徑不同，cBN 顆粒的數(shù)量及分布情況也存在一些明顯的差異。cBN 顆粒粒徑為0.5 μm 時(shí)，鍍層中彌散分布了大量顆粒，但個(gè)別區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生了不同程度的團(tuán)聚（圖6a），此與圖3c 中鍍層表面形貌分析結(jié)果一致。cBN 顆粒粒徑為3.0 μm 時(shí)，鍍層中顆粒分散較好且分布較為均勻，整個(gè)鍍層中幾乎都存在cBN 顆粒，復(fù)合量較高，見(jiàn)圖6b。當(dāng)cBN 顆粒粒徑較大（～10 μm）時(shí)，雖然顆粒在鍍層中分散較佳，但顆粒數(shù)量明顯更少，層間分布均勻性較差，見(jiàn)圖6c。綜合復(fù)合鍍層的表面及截面形貌，鍍液中加入適中粒徑（3.0 μm）和較高含量（70 g/L）的cBN 顆粒，鎳鍍層中易于嚙合更多的cBN 顆粒且顆粒分布較為均勻，既減小了團(tuán)聚現(xiàn)象的發(fā)生，也增加了鍍層表面的均勻性。

圖6 在含不同粒徑cBN 顆粒（含量70 g/L）的鍍液中制備的Ni-cBN 復(fù)合鍍層的截面形貌及放大像Fig.6 The cross-sectional morphology and magnified image of Ni-cBN coating formed in the electrolyte containing 70 g/L cBN with different size

2.3 鍍液中cBN 粒徑及含量對(duì)鍍層硬度的影響

對(duì)不同cBN 粒徑及不同cBN 復(fù)合量的復(fù)合鍍層進(jìn)行硬度測(cè)試，取其中3 個(gè)點(diǎn)的硬度并計(jì)算平均值，得到復(fù)合鍍層的維氏硬度，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)圖7。由圖7可知，當(dāng)溶液中顆粒較少時(shí)，鍍層中cBN 復(fù)合量較低，鍍層的硬度變化不明顯。隨著溶液中cBN 顆粒濃度的增加，鍍層中cBN 復(fù)合量逐漸增加，復(fù)合鍍層的硬度也呈現(xiàn)出增加趨勢(shì)。分析認(rèn)為，相比于純Ni 鍍層，復(fù)合鍍層中均勻分布的第二相顆粒會(huì)對(duì)鍍層產(chǎn)生彌散強(qiáng)化效應(yīng)和釘扎作用[8-9,11,14]，阻礙鍍層中的位錯(cuò)發(fā)生滑移，使Ni-cBN 復(fù)合鍍層的硬度明顯增大。整體上看，鍍層中cBN 顆粒復(fù)合量越高，涂層的硬度越大。

圖7 cBN 粒徑及鍍液中cBN 含量對(duì)鍍層硬度的影響Fig.7 Effect of the content and size of cBN particles in the solution on the hardness of Ni-cBN coating

同時(shí)，對(duì)比顆粒粒徑的影響可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)鍍層中cBN 復(fù)合量較少時(shí)，不同粒徑的cBN 對(duì)鍍層的強(qiáng)化作用差別不大。復(fù)合量均為14.7%左右時(shí)，采用0.5、3.0 μm 粒徑的cBN 制備的復(fù)合鍍層硬度值十分接近，約為310～350HV。隨著鍍層中顆粒復(fù)合量的增加，顆粒粒徑對(duì)鍍層硬度的影響變得顯著。當(dāng)復(fù)合量均為40%～42%時(shí)，采用3.0 μm 粒徑的cBN 制備的復(fù)合鍍層硬度為637HV，而采用10 μm 粒徑的cBN 制備的復(fù)合鍍層硬度則達(dá)到 879HV。若復(fù)合量均提高至52%～53%，兩種粒徑顆粒復(fù)合的鍍層硬度差值明顯加大，其中，采用10 μm 粒徑的cBN 制備的復(fù)合鍍層硬度最高可達(dá)1143HV。分析認(rèn)為，顆粒粒徑較小時(shí)，復(fù)合鍍層中顆粒之間的空隙分布較均勻，當(dāng)外力將顆粒壓入鍍層中時(shí)，小顆粒更容易進(jìn)入空隙，而不與其他顆粒產(chǎn)生交互作用，因而小顆粒的強(qiáng)化效果不顯著；而對(duì)于大尺寸顆粒，由于復(fù)合鍍層中顆?？障恫痪鶆颍饬喝霑r(shí)易與內(nèi)層的顆粒碰撞，顆粒之間的交互作用更強(qiáng)，表現(xiàn)為復(fù)合鍍層局部抵抗變形的能力更強(qiáng)[9,14,22]。因此，對(duì)于相同復(fù)合量的Ni-cBN 鍍層，cBN 粒徑越大，復(fù)合鍍層的平均硬度越高。

2.4 Ni-cBN 復(fù)合鍍層的耐磨性

Ni-cBN 復(fù)合鍍層作為高硬度耐磨鍍層，摩擦磨損性能尤為重要。本文通過(guò)在電解液中加入不同含量、不同粒徑（～0.5、3.0、10 μm 等）的cBN 顆粒，研究顆粒粒徑、顆粒復(fù)合量對(duì)Ni-cBN 復(fù)合鍍層摩擦磨損性能的影響。其中，不同鍍層與Si3N4對(duì)磨的摩擦系數(shù)曲線及磨損量見(jiàn)圖8，磨損形貌見(jiàn)圖9—11。

由圖8 可知，GH4169 合金基體的摩擦系數(shù)較大（約為0.8～1.0）且隨時(shí)間劇烈波動(dòng)。當(dāng)施加Ni 鍍層后，摩擦系數(shù)明顯下降，純鎳層的摩擦系數(shù)較為穩(wěn)定，約為0.60～0.65（圖8a）。但從圖9a 可以看出，Ni鍍層磨損后，表面存在大片的凹坑，凹坑邊緣翻卷，為典型的粘著磨損，并且凹坑處放大可以發(fā)現(xiàn)少量犁溝，有磨粒磨損痕跡，磨損量高達(dá)3.30 mg。相比于純Ni 層，當(dāng)鍍層中共沉積cBN 硬質(zhì)顆粒后，Ni-cBN復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)明顯更低，耐磨性更好。然而，對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，cBN 顆粒的粒徑以及鍍層中cBN 復(fù)合量對(duì)Ni-cBN 鍍層的耐磨性影響很大。整體上看，選擇3～5 μm 粒徑的cBN 顆粒且適當(dāng)提高復(fù)合量，有助于改善鍍層的耐磨性。

由圖8a 及圖9 可知，當(dāng)鍍層中復(fù)合0.5 μm 的cBN顆粒后，鍍層摩擦系數(shù)明顯低于純鎳鍍層，且隨著復(fù)合量的增加，Ni-cBN 鍍層的摩擦系數(shù)呈下降趨勢(shì)；當(dāng)鍍層中cBN 復(fù)合量達(dá)到24.9%時(shí)，摩擦系數(shù)降至0.3 左右，與Si3N4對(duì)磨后，表面雖然仍存在少量淺的犁溝，但粘著剝落坑明顯減輕，磨損量比純Ni 鍍層下降了45.5%。相關(guān)研究顯示，第二相顆粒在鍍層中的嵌入會(huì)使金屬晶格畸變?cè)龃螅灰埔苿?dòng)困難[19]。此外，當(dāng)鍍層中復(fù)合cBN 顆粒后，第二相顆粒會(huì)起到固溶強(qiáng)化效果和釘扎作用，提高了鍍層硬度[8-9,11,14]。這些作用的協(xié)同可以有效抑制粘著區(qū)域的擴(kuò)展，改善Ni-cBN 鍍層的抗粘著磨損性能[13-14,19,26]。然而，對(duì)于0.5 μm 粒徑的小顆粒，由于小尺寸顆粒團(tuán)聚導(dǎo)致鍍層復(fù)合量不高，在摩擦過(guò)程中，部分cBN 顆粒可能會(huì)脫落粘在摩擦副上，對(duì)鍍層進(jìn)一步損傷，形成細(xì)窄的犁溝。

圖8 不同顆粒粒徑、不同復(fù)合量的Ni-cBN 鍍層與Si3N4 對(duì)磨的摩擦系數(shù)曲線（a—c）及磨損量（d）Fig.8 The friction coefficient curve (a—c) and mass loss (d) of Ni-cBN coating with different particle size and composite content during wear against with Si3N4 ball

圖9 純鎳鍍層及0.5 μm cBN 復(fù)合量不同的Ni-cBN 鍍層的磨損形貌Fig.9 Wear morphology of pure Ni coating (a) and Ni-cBN composite coating (b-d) formed in system with 0.5 μm cBN particle

當(dāng)選擇3.0 μm粒徑的cBN 顆粒作為復(fù)合顆粒時(shí)，整體上看，隨著cBN 復(fù)合量的提高，鍍層摩擦系數(shù)呈降低趨勢(shì)，磨損程度減輕，見(jiàn)圖8b 和圖10。cBN復(fù)合量約為40.5%時(shí)，鍍層摩擦系數(shù)僅為0.30～0.40，磨損后表面幾乎沒(méi)有粘著剝落坑，僅有輕微犁削痕跡（圖10c），磨損量也僅為1.21 mg。但復(fù)合量達(dá)到53.4%時(shí)，鍍層的耐磨性略微變差，表面犁溝明顯加劇，磨損量增加。分析認(rèn)為，鍍層中cBN 復(fù)合量增加，鍍層的硬度顯著提高，抵抗外物壓入的能力明顯增加，耐磨性在一定程度上得到改善。然而，除了硬度之外，鍍層的耐磨性還與鍍層粗糙度、復(fù)合顆粒/鍍層之間的結(jié)合力密切相關(guān)[8,10,14,26]。鍍層中含有大量～3.0 μm 粒徑的cBN 顆粒時(shí)，鍍層的粗糙度有所增加，導(dǎo)致摩擦系數(shù)上升。此外，由于Ni-cBN 鍍層中鎳層充當(dāng)了粘結(jié)劑，Ni 層的比例降低，導(dǎo)致cBN 顆粒在摩擦副反復(fù)碾壓作用下極易脫落[8]，從而使復(fù)合鍍層的表層松散，且脫落的硬質(zhì)cBN 顆粒夾在摩擦副/鍍層之間，形成三體磨損，導(dǎo)致犁溝明顯加劇。

圖10 3 μm cBN 復(fù)合量不同的Ni-cBN 鍍層的磨損形貌Fig.10 Wear morphology of different Ni-cBN composite coating formed in system with 3 μm cBN particle

選用粒徑為10 μm 的cBN 作為復(fù)合顆粒時(shí)，鍍層的摩擦系數(shù)變化規(guī)律與上述略有不同，見(jiàn)圖8c。復(fù)合量較低時(shí)，鍍層摩擦系數(shù)先上升，隨著復(fù)合量的增加，鍍層的摩擦系數(shù)有所降低，磨損量下降；cBN復(fù)合量為42.9%時(shí)，摩擦系數(shù)最低，為0.40 左右；繼續(xù)提高cBN 復(fù)合量，耐磨性略微變差。分析可知，cBN 顆粒尺寸較大、復(fù)合量較低時(shí)，鍍層中cBN 顆粒分布不均勻（見(jiàn)圖5b），粗糙度較高，摩擦?xí)r，凸出的cBN 顆粒優(yōu)先承受載荷，導(dǎo)致摩擦系數(shù)較高；復(fù)合量提高后，鍍層中的cBN 顆粒分布更趨均勻（見(jiàn)圖5c），顆粒的彌散強(qiáng)化作用更加明顯，鍍層硬度提高，耐磨性逐漸得到改善。相比于細(xì)顆粒，10 μm顆粒復(fù)合的鍍層在摩擦后表面粘著磨損明顯減輕，主要表現(xiàn)為碾壓和磨粒磨損痕跡（圖11）。分析認(rèn)為，10 μm 的cBN 顆粒尺寸較大，但鎳鍍層厚度有限（～25 μm），鎳層對(duì)大顆粒的嚙合強(qiáng)度不足以抵抗外力的碾壓作用，導(dǎo)致部分顆粒從鍍層中剝落；而大顆粒復(fù)合的鍍層硬度較高，從而對(duì)基質(zhì)鍍層中的軟鎳層產(chǎn)生犁削作用，形成磨粒磨損痕跡，且鍍層中顆粒復(fù)合量越低，則鍍層硬度越低，這種碾壓作用越明顯。

圖11 10 μm cBN 復(fù)合量不同的Ni-cBN 鍍層的磨損形貌Fig.11 Wear morphology of Ni-cBN composite coating formed in system with 10 μm cBN particle

3 結(jié)論

1）鍍液中 cBN 微粒的粒徑及含量直接影響Ni-cBN 復(fù)合鍍層的復(fù)合量及耐磨性。無(wú)論顆粒粒徑多大，隨著鍍液中cBN 質(zhì)量濃度的增加，鍍層表面cBN 顆粒越來(lái)越密集，復(fù)合量呈增高趨勢(shì)。

2）cBN 顆粒粒徑較?。ā?.5 μm）時(shí)，顆粒易發(fā)生輕微的團(tuán)聚，復(fù)合量難以大幅度提高。選擇3.0、10 μm 粒徑的顆粒，一定程度上有助于提高cBN 復(fù)合量，且當(dāng)鍍液中cBN 顆粒濃度相同時(shí)，兩種顆粒復(fù)合的鍍層復(fù)合量較為接近。但在相近復(fù)合量下，3.0 μm顆粒復(fù)合的鍍層的顆粒分布均勻性更佳，10 μm 顆粒復(fù)合的鍍層硬度更高。

3）相比于純Ni 層，當(dāng)鍍層中共沉積cBN 顆粒后，顆粒的彌散強(qiáng)化和釘扎作用提高了鍍層硬度，抑制了粘著區(qū)域的擴(kuò)展，有效改善了Ni-cBN 鍍層的耐磨性。對(duì)比顆粒粒徑的影響可以發(fā)現(xiàn)，小顆粒（～0.5 μm）復(fù)合的鍍層的摩擦系數(shù)略低，但粘著磨損較為嚴(yán)重；大顆粒（～10 μm）復(fù)合的鍍層粗糙度較高，磨損形式主要為磨粒磨損。選擇粒徑為3.0 μm 的cBN 顆粒，控制cBN 復(fù)合量為40.5%時(shí)，Ni-cBN 復(fù)合鍍層在600 ℃下的摩擦系數(shù)約為0.30，耐磨性更佳。