高壓開關(guān)斷路器操動機(jī)構(gòu)化學(xué)鍍鎳-鎢-磷三元合金及鍍層性能

劉超峰，王斌，曲欣，李寧，王珊，陳思遠(yuǎn)，劉擁軍，楊曉穎

河南平高電氣股份有限公司，平高集團(tuán)有限公司，河南 平頂山 467001

高壓開關(guān)斷路器操動機(jī)構(gòu)是電力系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，其傳動部件、摩擦接觸運(yùn)動零部件(如液壓缸、活塞桿、工作缸等)是影響設(shè)備運(yùn)行的關(guān)鍵件，也是易磨損零部件，因此這類零件需要具備一定的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及精密尺寸穩(wěn)定性，同時還需要一定的耐腐蝕性能。這類零件的材質(zhì)多數(shù)為45 號調(diào)質(zhì)鋼，一般采用粉末熱滲鋅、碳氮共滲或電鍍鋅-鎳合金等技術(shù)來提高其耐磨性和耐蝕性，筆者所在公司較多采用電鍍Zn-Ni 合金工藝。但Zn-Ni 合金鍍層的硬度較低，容易被磨損，不僅使零部件尺寸不穩(wěn)定，而且防腐效果較差。

化學(xué)鍍Ni-P 合金由于其耐蝕性好、與基體結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，在工業(yè)上已得到廣泛應(yīng)用[1]。在化學(xué)鍍Ni-P二元合金配方的基礎(chǔ)上，通過引入W 元素可得到高耐磨、高耐蝕、高硬度、熱穩(wěn)定性好的Ni-W-P 三元合金鍍層。筆者所在公司針對高壓開關(guān)斷路器機(jī)構(gòu)的技術(shù)要求與復(fù)雜工況，開發(fā)了適用于45 鋼的Ni-W-P 三元合金化學(xué)鍍配方。本文主要研究了Ni-W-P 三元合金鍍層的組織形貌、顯微硬度、耐蝕性等方面，并與電鍍Zn-Ni合金鍍層進(jìn)行對比，結(jié)果表明化學(xué)鍍Ni-W-P 合金的零件能夠通過樣機(jī)試驗(yàn)，滿足應(yīng)用要求。本研究能夠?yàn)镹i-W-P 三元合金化學(xué)鍍工藝在高壓開關(guān)領(lǐng)域的進(jìn)一步推廣和應(yīng)用提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 基體材料

基體材料采用與工作缸材質(zhì)一致的45 鋼，其化學(xué)成分(以質(zhì)量分?jǐn)?shù)計)為：C 0.42%，Si 0.28%，Mn 0.65%，S 0.017%，P 0.009%，Cr ＜ 0.05%，Ni ＜ 0.05%，Cu ＜ 0.05%，F(xiàn)e 余量。

1.2 工藝流程

使用DK7732 型電火花線切割機(jī)將基材線切割成15 mm × 5 mm × 4 mm 的塊狀試樣，化學(xué)鍍Ni-W-P三元合金的工藝流程為：預(yù)磨→堿洗除油→水洗→酸洗活化→水洗→化學(xué)鍍Ni-W-P 合金→水洗→壓縮空氣吹干→完工檢查→鍍后修整[2]。

1.2.1 預(yù)磨

先用拋光機(jī)打磨平整，再采用0#至4#金相砂紙細(xì)磨，要求表面光滑，磨痕方向一致，無明顯的凹痕和凹坑。若表面過于粗糙，凹痕處容易有污垢、灰塵等殘留，影響鍍層的結(jié)合力。

1.2.2 堿洗除油

除油采用15 g/L NaOH + 15 g/L Na2CO3·10H2O 溶液，溫度60 ～ 70 ℃，時間2 ～ 3 min。要求完全去除試樣表面的油污，即零部件除油并清洗后表面水膜連續(xù)，不得有發(fā)花和過腐蝕現(xiàn)象。

1.2.3 酸洗活化

酸洗采用稀鹽酸，要控制好鹽酸濃度。鹽酸濃度過低時所需酸洗時間較長。鹽酸濃度過高時易造成酸洗過度，使基體表面產(chǎn)生大量腐蝕坑，后續(xù)無法上鍍，或者所得鍍層表面不光滑且大面積發(fā)花[3]。適宜的鹽酸質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%，在室溫下處理40 s 左右即可。

1.2.4 化學(xué)鍍Ni-W-P 合金

化學(xué)鍍配方和工藝條件為：NiSO4·6H2O 20 g/L，NaH2PO2·H2O 35 g/L，Na2WO4·2H2O 28 g/L，C6H5Na3O733 g/L，(NH4)2SO423 g/L，C3H6O3(乳酸)10 mL/L，pH = 8，溫度65 ℃，時間30 ～ 40 min。一般要求所得Ni-W-P合金鍍層厚度為10 μm，允許±20%的偏差。

1.3 性能檢測

1.3.1 組織結(jié)構(gòu)

使用Nikon ME600 金相顯微鏡對試驗(yàn)樣塊進(jìn)行金相組織觀察。采用日本電子株式會社的JXA-8230 型電子探針顯微分析儀分析試樣的表面和截面形貌。

1.3.2 顯微硬度

先用無水乙醇擦拭試驗(yàn)樣塊，再使用FUTURE-TECH FM-700 型維氏顯微硬度計測量鍍層的顯微硬度，載荷50 g，加載時間10 s。每個試樣測5 個不同區(qū)域，每個區(qū)域測5 個點(diǎn)位，取平均值。

1.3.3 耐蝕性

依據(jù)GB/T 10125-2021《人造氣氛腐蝕試驗(yàn) 鹽霧試驗(yàn)》，使用YWS/R 型濕熱鹽霧試驗(yàn)箱對Ni-W-P 三元合金化學(xué)鍍零部件進(jìn)行中性鹽霧腐蝕試驗(yàn)，溫度37 °C，鹽霧為5% NaCl 溶液，時間450 h[4]。

1.3.4 耐磨性

在CETR-UMT-3MO 摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對試驗(yàn)樣塊進(jìn)行點(diǎn)接觸直線無潤滑滑動摩擦磨損試驗(yàn)[5]，硬質(zhì)合金對磨球的直徑為8 mm、硬度為60 HRC，加載力50 N，摩擦行程5 mm，速率5 mm/s，試驗(yàn)時間1 h。

1.3.5 結(jié)合力

結(jié)合力測試采用劃線法或劃格法。先采用刃口磨成30°銳角的硬質(zhì)鋼劃刀，在試樣表面劃刻間距約為鍍層公稱厚度的10 倍、不低于0.4 mm 的平行線或邊長為1 mm 的方格，劃線時以足夠的壓力一次劃刻到基體表面。然后粘貼結(jié)合強(qiáng)度為2.0 ～ 3.5 N/cm2的透明膠帶，粘附面積至少為1 cm2，排除全部空氣并保持10 s，再垂直于鍍層表面的方向加力，迅速將膠帶撕下，檢查鍍層剝離情況。

2 結(jié)果與討論

2.1 化學(xué)鍍Ni-W-P 合金的性能

2.1.1 外觀

將Ni-W-P 三元合金化學(xué)鍍工藝應(yīng)用于550 kV 斷路器上CYTA 操作機(jī)構(gòu)的零部件(包括信號缸、工作缸等)。由圖1 可以看出，化學(xué)鍍Ni-W-P 三元合金的零部件表面呈現(xiàn)均勻的銀白色，鍍層表面狀態(tài)良好。另外，劃線和劃格試驗(yàn)后未發(fā)現(xiàn)有鍍層剝離現(xiàn)象，說明所得Ni-W-P 三元合鍍層結(jié)合力良好。

圖1 化學(xué)鍍Ni-W-P 合金零部件的照片F(xiàn)igure 1 Photos of components plated electrolessly with Ni-W-P alloy

2.1.2 厚度

鍍層的厚度及其分布均勻性是評價鍍層品質(zhì)的重要指標(biāo)，直接影響著工件的耐磨性、耐蝕性、孔隙率、導(dǎo)電性等性能，進(jìn)而影響產(chǎn)品的可靠性和使用性能。鍍層的厚度主要取決于沉積速率、沉積時間及鍍液的老化程度，理論上通過控制這些參數(shù)可以得到任意厚度的鍍層[6]。在本次試驗(yàn)既定的工藝參數(shù)下，使用MiNiTest 600 型手持式膜厚測量儀(彎曲表面)隨機(jī)測量，得到零件5 個點(diǎn)位的鍍層厚度分別為11.1、10.8、9.0、10.0和11.5 μm，滿足鍍層厚度10 μm(偏差在20%以內(nèi))的要求。

2.1.3 微觀結(jié)構(gòu)

從圖2 可知，Ni-W-P 三元合金鍍層成胞狀結(jié)構(gòu)，并且完全覆蓋基體。觀察鍍層縱截面可以發(fā)現(xiàn)，鍍層與基體界面的組織都均勻致密，與基體結(jié)合良好，沒有明顯的裂紋、孔洞等缺陷。良好的鍍層表面狀態(tài)，可保證在零部件機(jī)械摩擦往復(fù)運(yùn)動過程中，不會形成鍍層“裂紋源”，導(dǎo)致鍍層出現(xiàn)起皮、脫落等現(xiàn)象。

圖2 Ni-W-P 合金鍍層的顯微形貌Figure 2 Micromorphologies of Ni-W-P alloy coating

2.1.4 顯微硬度

顯微硬度是鍍層的重要性能指標(biāo)之一，能夠在一定程度上反映鍍層抵抗局部形變，特別是抵抗塑性變形的能力[7]。從表1 可知，Ni-W-P 合金鍍層的顯微硬度在900 HV 附近波動，但整體偏差均低于50 HV，明顯高于45 鋼基體(約480 HV)和電鍍Zn-Ni 合金鍍層(約300 HV)。

表1 Ni-W-P 合金鍍層的顯微硬度Table 1 Microhardness of Ni-W-P alloy coating（單位：HV）

2.1.5 耐蝕性

鹽霧腐蝕試驗(yàn)主要是利用鹽霧試驗(yàn)箱來模擬產(chǎn)品和材料的實(shí)際應(yīng)用環(huán)境，考察它們在鹽霧腐蝕氣氛中的腐蝕情況。在高壓電器行業(yè)，鹽霧試驗(yàn)1 h 相當(dāng)于產(chǎn)品在正常使用環(huán)境條件下服役1 年的時間。從圖3 可知，經(jīng)450 h 中性鹽霧腐蝕后，零件邊角的鍍層有少量腐蝕點(diǎn)，主表面鍍層無大面積銹蝕、脫落等現(xiàn)象，已經(jīng)遠(yuǎn)超相同厚度電鍍Zn-Ni 合金的耐中性鹽霧腐蝕性能(240 h)。

圖3 中性鹽霧試驗(yàn)450 h 后Ni-W-P 合金化學(xué)鍍零件的照片F(xiàn)igure 3 Photos of components plated electrolessly with Ni-W-P alloy after 450 hours of neutral salt spray test

2.1.6 耐磨性

摩擦因數(shù)是衡量材料耐磨性的指標(biāo)之一。在一定條件下，摩擦因數(shù)越小，表示材料的耐磨性越好；反之，材料的耐磨性越差。45 鋼作為高壓電氣行業(yè)缸體類零部件最常用的一種材料，常常會因?yàn)檫^度磨損而失效，因此提高其耐磨性具有重要的意義。對45 鋼基體、電鍍Zn-Ni 合金試樣和化學(xué)鍍Ni-W-P 三元合金試樣開展摩擦磨損試驗(yàn)。從圖4 可知，45 鋼、電鍍Zn-Ni 合金和化學(xué)鍍Ni-W-P 合金的摩擦因數(shù)分別約為0.40、0.58和0.30。

圖4 45 鋼、電鍍Zn-Ni 合金和化學(xué)鍍Ni-W-P 合金的摩擦因數(shù)Figure 4 Friction factors of 45 steel, electroplated Zn-Ni alloy, and electrolessly plated Ni-W-P alloy

圖5 是3 種試樣的磨損形貌。可以明顯看到45 鋼的摩擦表面存在大量磨屑和較淺的犁溝，表明其主要磨損形式是黏著磨損；Zn-Ni 合金鍍層的摩擦表面存在較深的犁溝，并伴隨有鍍層撕裂現(xiàn)象；Ni-W-P 合金鍍層的摩擦表面較平整。

圖5 不同試樣摩擦磨損試驗(yàn)后的表面形貌Figure 5 Surface morphologies of different specimens after friction and wear test

結(jié)合摩擦因數(shù)和磨損形貌可知，Ni-W-P 合金鍍層的耐磨性最好，這可能與其具備良好的結(jié)合力和較高的顯微硬度有關(guān)。

2.2 樣機(jī)試驗(yàn)

對CYTA-13 型碟簧液壓機(jī)構(gòu)所用的缸體零部件進(jìn)行Ni-W-P 三元合金化學(xué)鍍，鍍層厚度控制在10 μm 左右，裝配后進(jìn)行機(jī)械操作試驗(yàn)。從圖6 可知，經(jīng)機(jī)械操作試驗(yàn)后，零件表面鍍層無起皮、脫落現(xiàn)象，其中缸體與活塞之間呈接觸式摩擦，試驗(yàn)后鍍層表面有類似拋光的摩擦痕跡，與缸體摩擦段過渡處無凹陷手感，屬于正常摩擦，測量摩擦段和非摩擦段的鍍層厚度幾乎無變化，說明鍍層順利通過樣機(jī)操作試驗(yàn)。

圖6 液壓機(jī)構(gòu)的示意圖(a)及樣機(jī)試驗(yàn)后零件表面鍍層的狀態(tài)(b)Figure 6 Sketch of hydraulic mechanism (a) and photo of coatings (b) on surfaces of components after prototype testing

3 結(jié)論

將Ni-W-P 三元合金化學(xué)鍍應(yīng)用于高壓開關(guān)斷路器工作缸零部件的表面強(qiáng)化處理。所得Ni-W-P 合金鍍層均勻致密，與基體結(jié)合良好，厚度在10 μm 左右，顯微硬度在900 HV 左右，中性鹽霧試驗(yàn)450 h 無大面積鍍層銹蝕、脫落等現(xiàn)象，耐磨性優(yōu)于基體45 鋼及電鍍Zn-Ni 合金鍍層。

將該Ni-W-P 三元合金化學(xué)鍍技術(shù)應(yīng)用在高壓開關(guān)連接傳動、接觸運(yùn)動零件等摩擦易損的零件上時，可提高零部件的耐蝕性和耐磨性，在高壓電氣領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用空間。后續(xù)擬將該Ni-W-P 合金化學(xué)鍍工藝應(yīng)用于實(shí)際產(chǎn)品，以替代現(xiàn)有的電鍍Zn-Ni 合金工藝。