納米碳化鈦用量對(duì)電鍍鐵-碳化鈦復(fù)合鍍層性能的影響

傅云徉，朱新河，董文仲，尚少偉，張焯凱，劉耕碩

（大連海事大學(xué)輪機(jī)工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

在遠(yuǎn)洋運(yùn)輸行業(yè)中，許多船舶機(jī)械零部件及船舶設(shè)備（如柴油機(jī)活塞環(huán)、曲軸、軸瓦等）在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間工作后，不可避免地會(huì)發(fā)生磨損，造成船舶設(shè)備的失效，極大地影響了船舶運(yùn)行的安全性。因此，采用高效并且成本較低的手段對(duì)船舶機(jī)械零部件進(jìn)行表面強(qiáng)化處理極其重要。常見(jiàn)的表面處理技術(shù)有離子注入、滲氮、滲碳、碳氮共滲、淬火、熱噴涂、物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、激光熔覆等。與上述工藝相比，電鍍鐵具有沉積效率較高、成本較低、對(duì)環(huán)境污染較小等優(yōu)勢(shì)，尤其是在鋼鐵表面進(jìn)行鍍鐵時(shí)，由于兩者的晶格屬性相同，可以獲得與基體結(jié)合強(qiáng)度很高的鍍層[1-3]。

納米復(fù)合電鍍是通過(guò)在鍍液中添加不溶性納米顆粒實(shí)現(xiàn)金屬與不溶性顆粒共沉積的技術(shù)，能夠顯著提高鍍層的耐磨性、耐蝕性等性能[4]。本文在鍍鐵液中添加0 ～ 7 g/L納米TiC顆粒，以研究鍍液中TiC顆粒的質(zhì)量濃度對(duì)鍍層性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 樣品的制備

基材為120 mm × 10 mm × 6 mm的45鋼，其組成（以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)）為：C 0.42% ～ 0.50%,Si 0.170% ～ 0.37%，Mn 0.50% ～ 0.80 %，Cr ≤0.25%，S ≤0.035 %，P ≤0.035 %，Ni ≤0.30 %，Cu ≤0.25 %，F(xiàn)e余量[5-6]。

電鍍前，先用金相砂紙打磨基體，經(jīng)無(wú)水乙醇超聲清洗15 min后放入烘箱烘干，最后放入密封袋保存。

采用大連海事大學(xué)的董氏鍍鐵專利鍍液[7]，其主要成分為FeCl2·4H2O，添加1 ～ 7 g/L納米TiC顆粒（平均粒徑為50 nm）。電鍍槽為50 L的玻璃槽，鍍液體積40 L。電鍍前需將鍍液活化，并維持pH在1左右、溫度在20 ～ 35 °C范圍內(nèi)，電鍍過(guò)程分為5個(gè)階段：（1）交流活化預(yù)處理，正、負(fù)向電壓均為4 V，時(shí)間5 min；（2）交流起鍍，正向電壓4 V，負(fù)向電壓3 V，時(shí)間15 min；（3）過(guò)渡交流鍍，正向電壓4 V，負(fù)向電壓0.5 V，時(shí)間10 min；（4）小直流電鍍，正向電壓4 V，時(shí)間10 min；（5）大直流電鍍，正向電壓8 V，時(shí)間3 h[8]。

為保證TiC顆粒的均勻沉積，在電鍍過(guò)程中每隔15 min機(jī)械攪拌鍍液1次。在電鍍結(jié)束后取出試樣，用25 g/L Na2CO3溶液中和試樣表面的酸，再用無(wú)水乙醇超聲清洗15 min，自然風(fēng)干后放入密封袋保存。

1.2 結(jié)構(gòu)表征及性能測(cè)試

利用線切割機(jī)將電鍍后的試樣割成13 mm × 3 mm × 2 mm大小，采用200 ～ 800目砂紙逐級(jí)打磨至表面光滑，然后用馬爾文帕納科Empyrean智能X射線衍射儀（XRD）分析鍍層的物相，掃描速率10°/min，衍射角范圍0° ～ 90°，加速電壓40 kV，管電流30 mA。

將切割后的鍍層試樣進(jìn)行鑲嵌，對(duì)界面打磨拋光后采用Zeiss Xradia 810 Ultra掃描電鏡（SEM）及附帶的能譜儀（EDS）分析試樣的表面形貌和元素分布。

使用Cratos W50全自動(dòng)顯微硬度測(cè)試儀測(cè)量鍍層的顯微硬度，載荷1 N，加載時(shí)間10 s，在鍍層表面隨機(jī)測(cè)量3個(gè)點(diǎn)，取平均值。

使用自制往復(fù)式摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)和抗粘著試驗(yàn)。試驗(yàn)前，先用200 ～ 800目砂紙打磨至鍍層表面粗糙度為20 μm。采用直徑5 mm、顯微硬度高于600 HV的440C不銹鋼銷子作為摩擦副，在復(fù)合鍍層表面做線性往復(fù)運(yùn)動(dòng)，試驗(yàn)機(jī)頻率為40 Hz。摩擦磨損試驗(yàn)時(shí)載荷為10 MPa，供油量為0.07 mL/min，沖程為60 mm，磨損時(shí)間為7 h。做抗粘著試驗(yàn)時(shí)，初始載荷為50 N，每隔30 min增加50 N載荷，在貧油（0.01 mL/min）條件下進(jìn)行，鍍層與對(duì)磨試樣發(fā)生粘著時(shí)停止試驗(yàn)。

2 結(jié)果與討論

2.1 Fe-TiC復(fù)合鍍層的相結(jié)構(gòu)

從圖1可以看到，F(xiàn)e鍍層的XRD譜圖在2θ為45°、65°和82°處有特征峰，分別對(duì)應(yīng)Fe的（110）、（200）和（211）晶面。鍍液中添加納米TiC后，所得的鍍層X(jué)RD譜圖中除了呈現(xiàn)Fe的特征峰，還在2θ為36°、42°和61°附近出現(xiàn)了新的特征峰，分別對(duì)應(yīng)TiC的（111）、（200）和（220）晶面，說(shuō)明TiC顆粒已成功復(fù)合到鍍層中[9]。

圖1 不同TiC顆粒質(zhì)量濃度下所得鍍層的XRD譜圖 Figure 1 XRD patterns for the coatings prepared with different mass concentrations of TiC particles

2.2 復(fù)合鍍層表面的顯微組織

從圖2和表1可知，鍍液中TiC顆粒的質(zhì)量濃度從3 g/L增大到5 g/L時(shí)，所得Fe-TiC復(fù)合鍍層表面的顆粒增加，分布更均勻、致密。繼續(xù)增大TiC顆粒質(zhì)量濃度至7 g/L時(shí)，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層表面的TiC顆粒反而減少，Ti的質(zhì)量分?jǐn)?shù)降至0.04%。

表1 不同TiC顆粒質(zhì)量濃度下所得鍍層的元素組成 Table 1 Elemental compositions of the coatings prepared with different mass concentrations of TiC particles

圖2 不同TiC顆粒質(zhì)量濃度下所得鍍層的EDS面掃圖 Figure 2 Surface mapping images of the coatings prepared with different mass concentrations of TiC particles

2.3 Fe-TiC復(fù)合鍍層的截面顯微組織

由圖3可以看出，鍍液中TiC顆粒的質(zhì)量濃度為3 g/L時(shí)所得的Fe-TiC復(fù)合鍍層截面存在孔洞和裂紋。增大TiC質(zhì)量濃度到5 g/L時(shí)，復(fù)合鍍層截面無(wú)明顯的孔洞和裂紋，鍍層與基體之間沒(méi)有明顯的分界線，結(jié)合良好。當(dāng)鍍液中TiC的質(zhì)量濃度提升至7 g/L時(shí)，復(fù)合鍍層截面的孔洞多而大，鍍層與基體之間的分界明顯，說(shuō)明鍍層與基體間的結(jié)合力較差，容易剝脫。

圖3 不同TiC顆粒質(zhì)量濃度下所得Fe-TiC復(fù)合鍍層的截面形貌和能譜分析結(jié)果 Figure 3 Cross-sectional morphologies and EDS analysis results for Fe-TiC composite coatings prepared with different mass concentrations of TiC particles

從截面元素掃描結(jié)果可知，隨著鍍液中TiC顆粒質(zhì)量濃度增大，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層截面的Ti含量波動(dòng)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)。鍍液中TiC顆粒的質(zhì)量濃度為3 g/L時(shí)，復(fù)合鍍層截面中的Ti含量只是出現(xiàn)小幅度波動(dòng)，說(shuō)明復(fù)合鍍層中含少量TiC顆粒。5 g/L時(shí)Ti含量的波動(dòng)幅度較大，這是復(fù)合鍍層中TiC顆粒含量較高所致。當(dāng)鍍液中TiC顆粒質(zhì)量濃度達(dá)到7 g/L時(shí)，Ti含量幾乎未發(fā)生波動(dòng)，說(shuō)明復(fù)合鍍層中TiC顆粒較少，復(fù)合電鍍效果不佳。

2.4 Fe-TiC復(fù)合鍍層的顯微硬度

從圖4可以看出，隨著鍍液中納米TiC顆粒質(zhì)量濃度增大，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層的顯微硬度呈先增大后減小的趨勢(shì)，但都高于Fe鍍層的顯微硬度（517.9 HV）。鍍液中TiC顆粒質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層的顯微硬度最高，為795.8 HV。

圖4 TiC顆粒質(zhì)量濃度對(duì)鍍層顯微硬度的影響 Figure 4 Effect of mass concentration of TiC particles on microhardness of coating

2.5 Fe-TiC復(fù)合鍍層的摩擦磨損性能

如圖5所示，隨著鍍液中TiC質(zhì)量濃度的增大，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層的磨損量先減小后增大。從圖6可知，F(xiàn)e鍍層在該實(shí)驗(yàn)條件下的摩擦因數(shù)較大，并且在磨損4.9 h左右時(shí)發(fā)生突變。鍍液中TiC質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)最小，波動(dòng)也較小。繼續(xù)增大TiC質(zhì)量濃度至7 g/L時(shí)，復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)反而增大，并且在試驗(yàn)過(guò)程中摩擦力不穩(wěn)定，摩擦磨損4 h左右時(shí)鍍層部分脫落，說(shuō)明鍍液中TiC質(zhì)量濃度 較高時(shí)所得的Fe-TiC復(fù)合鍍層容易發(fā)生粘著磨損。因此，需進(jìn)一步進(jìn)行抗粘著磨損試驗(yàn)，以檢測(cè)復(fù)合鍍層的抗粘著性能。

圖5 TiC顆粒質(zhì)量濃度對(duì)鍍層磨損量的影響 Figure 5 Effect of mass concentration of TiC particle on abrasion amount of coating

圖6 不同TiC顆粒質(zhì)量濃度下所得鍍層的摩擦因數(shù)曲線 Figure 6 Friction factor curves for the coatings prepared with different mass concentrations of TiC particles

如圖7所示，施加的載荷為50 N時(shí)，所有試樣的摩擦力差別不大。隨著施加載荷的提升，不同試樣摩擦力差別變得愈為明顯。鍍Fe試樣在150 N的載荷下磨損至1.2 h左右時(shí)摩擦噪聲增大，摩擦力突增，鍍層發(fā)生粘著磨損現(xiàn)象。隨著鍍液中TiC顆粒質(zhì)量濃度增大，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層開(kāi)始發(fā)生粘著磨損的時(shí)間延長(zhǎng)，TiC質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)試樣開(kāi)始發(fā)生粘著磨損的時(shí)間最長(zhǎng)，在相同載荷下產(chǎn)生的摩擦力較小，并且?guī)缀鯖](méi)有波動(dòng)，與Fe鍍層相比，其抗粘著磨損時(shí)間延長(zhǎng)了3.25倍。增大TiC質(zhì)量濃度至7 g/L時(shí)，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層的抗粘著性能變差。

圖7 不同TiC顆粒質(zhì)量濃度下所得鍍層的抗粘著磨損試驗(yàn)中摩擦力隨時(shí)間的變化 Figure 7 Variation of friction force with time in anti-adhesive wear test for the coatings prepared with different mass concentrations of TiC particles

由圖8可以看出，F(xiàn)e鍍層表面經(jīng)過(guò)粘著試驗(yàn)后，中間的磨損痕跡較明顯，磨痕較深。TiC顆粒質(zhì)量濃度為3 g/L時(shí)，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層經(jīng)粘著磨損后出現(xiàn)了磨粒磨損產(chǎn)生的細(xì)長(zhǎng)磨痕。而當(dāng)TiC質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層在抗粘著磨損試驗(yàn)后表面依然光潔平整，沒(méi)有出現(xiàn)溝痕、磨痕等現(xiàn)象。繼續(xù)增大鍍液中TiC的質(zhì)量濃度至7 g/L時(shí)，鍍層表面出現(xiàn)明顯的粘著磨損痕跡，磨痕較深，存在大量凹坑。

圖8 不同TiC顆粒質(zhì)量濃度下所得鍍層粘著磨損后的表面形貌 Figure 8 Surface morphologies of the coatings prepared with different mass concentrations of TiC particles after adhesive wear

TiC顆粒具有高熔點(diǎn)、高硬度、高耐磨性、熱力學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[10-11]，其在復(fù)合鍍層中可以起到彌散強(qiáng)化的作用[12]。綜上所述，鍍液中納米TiC顆粒質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，所得的Fe-TiC復(fù)合鍍層最均勻、致密，其中TiC顆粒的含量最高、分布最均勻，綜合性能最佳。

3 結(jié)論

鍍鐵液中添加納米TiC顆粒后，所得的Fe-TiC復(fù)合鍍層的顯微硬度高于Fe鍍層，耐磨性更優(yōu)。當(dāng)鍍液中TiC質(zhì)量濃度為5 g/L時(shí)，鍍層的摩擦因數(shù)最低，磨損量最小，抗粘著磨損時(shí)間較Fe鍍層提高3.25倍，耐磨性最佳，顯微硬度高達(dá)795.8 HV。