9Cr18不銹鋼表面不同耐磨鍍層的微觀結(jié)構(gòu)及耐磨性

喻 嵐，汪鎮(zhèn)濤，熊梧堯，潘 鶴，黃 鑫，王帥星*，唐 華，杜 楠

（1. 中國航發(fā)貴州紅林航空動力控制科技有限公司，貴州 貴陽 550009； 2. 南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330063； 3. 空軍裝備部駐成都地區(qū)軍事代表局駐貴陽地區(qū)第二軍事代表室，貴州 貴陽 550009）

9Cr18 不銹鋼廣泛用于制作航空發(fā)動機(jī)齒輪、活門等關(guān)鍵部件，在長期的高速旋轉(zhuǎn)及高溫使用工況下，其表面極易發(fā)生磨損失效［1-2］；因此，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。電鍍、化學(xué)鍍、激光熔覆、熱噴涂等是制備耐磨涂層的常用手段［3-8］。其中，硬鉻鍍層硬度高達(dá)700～800 HV，廣泛用于齒輪、軸類零件等的耐磨處理［7，9］；化學(xué)鍍Ni-P 合金鍍層經(jīng)過熱處理后，硬度也可達(dá)到800 HV以上，在不銹鋼、鈦合金的耐磨處理上也有廣泛應(yīng)用［4］。

除此之外，復(fù)合電鍍作為電鍍技術(shù)的延伸，在制備耐磨鍍層上更具競爭力。Ni-金剛石、Ni-Si3N4復(fù)合鍍層已在軍民領(lǐng)域有所應(yīng)用［5，10-12］。此外，鑒于立方氮化硼（cBN）顆粒具有高的硬度和良好的熱穩(wěn)定性，有學(xué)者制備了Ni-cBN耐磨涂層，提升了GH4169合金的高溫耐磨性［13-14］；也有學(xué)者利用六方氮化硼（hBN）的良好潤滑性制備了Ni-hBN 減摩涂層，研究證實Ni-hBN 涂層的摩擦系數(shù)最低可為0.08［15-16］?？紤]到cBN 顆粒的高硬度和hBN 的潤滑性，前期研究也證實Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層可以實現(xiàn)耐磨與減摩性的協(xié)同改善，在不銹鋼、鈦合金等零件的耐磨處理上具有較大優(yōu)勢。因此，本文針對9Cr18 不銹鋼，選用硬鉻鍍層、化學(xué)鍍鎳層、Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層等三種鍍層進(jìn)行表面處理，對比其在結(jié)合力、常溫耐磨性、高溫耐磨性方面的性能差異；研究結(jié)果可為航空發(fā)動機(jī)中關(guān)鍵部件的耐磨鍍層選型及表面強(qiáng)化提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 試驗

1.1 基材及電鍍工藝流程

采用9Cr18 不銹鋼作為基體，其尺寸為Ф20×5 mm，主要工藝流程為：除油→溫水洗→冷水洗→酸洗活化→去離子水洗→預(yù)鍍鎳→去離子水洗→電鍍（化學(xué)鍍）→去離子水洗→吹干。

化學(xué)除油液組成和工藝條件為：NaOH 40～60 g/L、Na2CO330～40 g/L、Na3PO435～60 g/L、Na2SiO3·9H2O 10～20 g/L，溫度60～70 ℃，時間5～8 min。

活化液組成及工藝條件為：HCl 20～35 g/L，室溫， 時間1～2 min。

預(yù)鍍鎳溶液組成及工藝條件為：NiCl2400 g/L、HCl 120 g/L，電流密度4 A/dm2， 溫度60～70 ℃， 時間15 min。

電鍍硬鉻的配方及工藝參數(shù)為：CrO3250 g/L、H2SO42.5 g/L，電流密度40～50 A/dm2， 溫度57～60 ℃、時間30 min。

化學(xué)鍍鎳的配方及工藝參數(shù)為：Ni2SO4·6H2O 25～30 g/L、NaH2PO215 g/L、NH4Cl 50 g/L、檸檬酸鈉60 g/L，pH值8.5～9.5，溫度80～85 ℃，時間5 min。

Ni-cBN/hBN復(fù)合電沉積的配方及工藝參數(shù)為：Ni（SO3NH2）2·4H2O 150～200 g/L、H3BO335～40 g/L、NiCl25 g/L、十二烷基硫酸鈉0.1 g/L、cBN 顆粒60 g/L和hBN顆粒10 g/L，電流密度2～4 A/dm2， 溫度55～60 ℃、時間60 min。

1.2 鍍層結(jié)構(gòu)及結(jié)合力表征

采用Nova Nano SEM 450 場發(fā)射掃描電鏡（FESEM）和 Bruker D8- Advance X 射線衍射儀（XRD）分析不同鍍層的微觀形貌及結(jié)構(gòu)。使用401MVD 數(shù)顯顯微維氏硬度計在常溫下測量測試不同鍍層的硬度，表面硬度測試加載載荷為350 g，考慮鍍層厚度不超過20 μm，截面硬度測試時加載載荷設(shè)為100 g。

采用WS-2005 型劃痕儀測試不同處理鍍層與9Cr18 不銹鋼基體之間的結(jié)合力。測試時，使用金剛石探針沿鍍層表面進(jìn)行刻劃，界面開裂瞬時所對應(yīng)的載荷指定為臨界載荷（Lc）；其中，加載速率為20 N/min，載荷范圍為0～40 N，Lc由聲發(fā)射信號記錄。根據(jù)公式（1）可以計算出涂層與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度（τ）［17］。

式中：R為劃針頭的半徑（200 μm）；A為劃針頭與涂層的接觸半徑，A=（Lc/πH）1/2；Lc為臨界載荷；H為基體的硬度；k為無量綱常數(shù)，常取0.15。

通過HT-1000型高溫球盤磨損機(jī)測試不同鍍層的摩擦學(xué)性能。摩擦副為Ф5 mm 的Si3N4球，溫度為室溫和200 ℃，轉(zhuǎn)速為200 rad/min，載荷為5 N，磨損軌跡半徑為5 mm，磨損時間為30 min。摩擦后，采用KH-7700 三維視頻顯微鏡觀察磨痕形貌，擬合磨痕剖面面積A（mm2），并按公式（2）計算比磨損率K（mm3/N·m）。

式中：r為磨痕軌道半徑（mm）；V為磨損體積（mm3）；P為載荷（N）；S為滑動距離（m）。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同耐磨鍍層的微觀結(jié)構(gòu)

圖1 為9Cr18 不銹鋼表面不同鍍層的表面及截面SEM圖。由圖1（a）和1（b）可知，標(biāo)準(zhǔn)硬鉻鍍層表面存在細(xì)而長的裂紋，且裂紋貫穿整個鍍層直到基體，局部表面還有少量的鉻瘤。由圖1（c）和1（d）可知，化學(xué)鍍Ni-P 鍍層表面呈胞狀結(jié)構(gòu)，但鍍層與基體之間結(jié)合不夠緊密，存在微小間隙。從圖1（e）和1（f）可以看出，通過復(fù)合電沉積，cBN和hBN顆粒在電場力和機(jī)械攪拌作用下與Ni 發(fā)生共沉積形成了Ni-BN 復(fù)合鍍層［13，18］，鍍層表面均勻彌散地分布著大量cBN 和hBN 顆粒，截面形貌也可以看出BN 顆粒較均勻地分散在鍍層中。

2.2 不同耐磨鍍層的硬度及結(jié)合力

表1給出了9Cr18不銹鋼表面硬鉻鍍層、化學(xué)鍍鎳層及Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的顯微硬度，圖2給出了Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的表面和截面硬度壓痕圖。由表1和圖2（a）可知，3種鍍層的表面硬度均可達(dá)800 HV 以上，但Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的表面硬度明顯更高；由表1和圖2（b）可知Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層的截面硬度更高，可達(dá)907 HV0.1，其鍍層硬度還可隨cBN顆粒含量進(jìn)行調(diào)整。

表1 不同耐磨鍍層的相關(guān)性能對比Tab.1 Comparison of related properties of different wear resistant coatings

圖2 Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層的硬度壓痕形貌Fig. 2 Hardness indentation morphology of Ni-cBN/hBN composite coating

此外，本文通過劃格法和劃痕儀綜合評價了三種鍍層與9Cr18 不銹鋼的結(jié)合力，結(jié)果見圖3 和表1。由圖3（a）可知，9Cr18不銹鋼經(jīng)過預(yù)鍍鎳處理后再進(jìn)行Ni-cBN/hBN 復(fù)合電鍍，鍍層結(jié)合力較好；劃格測試時鍍層完整、無剝落或起皮；劃痕儀測試顯示鍍層破裂臨屆載荷為24.8 N，經(jīng)公式換算后涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到68 MPa，滿足使用要求。然而，即使選擇預(yù)鍍鎳處理，9Cr18 不銹鋼表面硬鉻鍍層的結(jié)合力依舊較差，劃格測試時交叉處鍍層起粉、鼓泡，不滿足使用要求。此外，9Cr18 不銹鋼表面的化學(xué)鍍鎳層經(jīng)過熱處理后雖然硬度高達(dá)800 HV，劃格測試時雖然鍍層無明顯脫落、起皮現(xiàn)象，但劃痕儀測試顯示鍍層破裂的臨界載荷僅為14.3 N（見圖3b），經(jīng)公式換算后涂層結(jié)合強(qiáng)度約為49 MPa，低于鎳基復(fù)合鍍層與9Cr18 不銹鋼之間的結(jié)合力。因此，從結(jié)合力角度考慮，硬鉻鍍層不宜選做9Cr18 不銹鋼的耐磨鍍層，選擇Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層更為合適。

圖3 9Cr18不銹鋼表面不同耐磨鍍層的結(jié)合強(qiáng)度Fig. 3 Bond strength of different wear resistant coatings on 9Cr18 stainless steel

2.3 不同耐磨鍍層的常溫摩擦學(xué)性能

圖4、圖5 給出了9Cr18 不銹鋼表面不同耐磨鍍層在室溫條件下的磨損形貌及摩擦曲線；表2 給出了比磨損率結(jié)果。由表2 和圖5 可知，9Cr18 不銹鋼基體摩擦系數(shù)μ較大（μ=0.8）且隨時間劇烈波動；摩擦60 min后，其比磨損率高達(dá)5.24×10-5mm3/（N·m），基底表面布滿了由黏著磨損引起的剝落坑及由磨粒磨損造成的深淺不一的犁溝，見圖4（a）。施加耐磨鍍層后，9Cr18 不銹鋼的摩擦系數(shù)均有所降低，但不同鍍層的耐磨性存在較大差異。

表2 9Cr18不銹鋼及不同鍍層的常溫比磨損率Tab.2 Specific wear rates of 9Cr18 stainless steel and different coatings at room temperature

圖4 9Cr18不銹鋼及不同鍍層的常溫磨損形貌及磨損輪廓Fig. 4 Wear morphology and wear profile of 9Cr18 stainless steel and different coatings at room temperature

圖5 常溫條件下9Cr18不銹鋼及不同鍍層的摩擦系數(shù)曲線Fig. 5 Friction coefficient curves of 9Cr18 stainless steel and different coating at room temperature

整體來看，Ni-P 化學(xué)鍍層的摩擦系數(shù)與Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層相近，均為0.5左右；硬鉻鍍層的摩擦系數(shù)高于前兩者、約為0.75。由圖4（b）可知，由于9Cr18 不銹鋼表面硬鉻鍍層結(jié)合力差，在摩擦應(yīng)力作用下涂層出現(xiàn)明顯剝落，隨之出現(xiàn)嚴(yán)重的黏著磨損，損失體積較大，比磨損率高達(dá)3.56×10-4mm3/（N·m），耐磨性較差。從圖4（c）和4（d）可知，Ni-P 化學(xué)鍍層和Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層在磨損后表面均以輕微的犁溝為主、未出現(xiàn)明顯的黏著剝落，比磨損率低于硬鉻鍍層。因此，在常溫條件下，二者均可選做9Cr18不銹鋼表面的耐磨鍍層。

2.4 不同耐磨鍍層的高溫摩擦學(xué)性能

考慮到精密活門會在200 ℃高溫環(huán)境下使用，因此還對比研究了9Cr18 不銹鋼表面不同鍍層在200 ℃條件下的摩擦磨損性能，結(jié)果見圖6、圖7 和表3。由圖4和圖6可知，相比于常溫條件，200 ℃下所有鍍層的摩擦系數(shù)均有所增加，磨損程度有所加劇。分析認(rèn)為，高溫可使金屬軟化、硬度降低，塑性變形容易發(fā)生，隨著滑動摩擦的持續(xù)進(jìn)行，材料的連續(xù)性被破壞，引起剝層磨損［13，19-20］；同時高溫環(huán)境也會造成較為嚴(yán)重的黏著磨損。

表3 9Cr18不銹鋼表面不同鍍層在200 ℃下的比磨損率Tab.3 Specific wear rate of different coatings formed on 9Cr18 stainless steel at 200 ℃

圖6 200 ℃下9Cr18不銹鋼表面不同鍍層的摩擦系數(shù)曲線Fig. 6 Friction coefficient curves of different coatings on 9Cr18 stainless steel at 200 ℃

圖7 9Cr18不銹鋼表面不同鍍層在200 ℃下的磨損形貌及磨損輪廓Fig. 7 Wear morphology and wear profile of different coatings on 9Cr18 stainless steel at 200 ℃

對比3 種鍍層的摩擦系數(shù)和磨損形貌發(fā)現(xiàn)，硬鉻鍍層的摩擦系數(shù)仍然最高，約為1.0 左右，磨損后表面出現(xiàn)嚴(yán)重的粘著剝落坑，且鍍層脫落嚴(yán)重，其比磨損率高達(dá)5.67×10-4mm3/（N·m）。Ni-P 化學(xué)鍍層與Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的穩(wěn)定摩擦系數(shù)、磨損形貌均較為接近，說明二者耐磨性相當(dāng)；但從圖6可以看出，Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間延長一直呈下降趨勢，在長期摩擦過程中，其耐磨性會更優(yōu)。分析認(rèn)為，Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層表面可能存在部分凸起的cBN 顆粒、表面粗糙度較高；磨損初期，鍍層中cBN 顆粒與Si3N4對磨小球發(fā)生磨損造成摩擦系數(shù)略高，但由于鍍層中存在hBN 顆粒，在磨損后期，hBN 可在膜層表面形成一層潤滑膜，使得摩擦系數(shù)逐漸下降并在后期趨于穩(wěn)定［15，21］；因此，其綜合比磨損率（1.26×10-4mm3/（N·m））略低于化學(xué)鍍鎳層。

因此，綜合考慮三種耐磨鍍層的結(jié)合力、常溫耐磨性及高溫耐磨性，Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層更宜選作9Cr18不銹鋼表面的耐磨鍍層。

3 結(jié) 論

（1）硬鉻鍍層存在貫穿整個鍍層的微裂紋、且表面存在少量鉻瘤；Ni-P 化學(xué)鍍層表面呈胞狀結(jié)構(gòu)，但鍍層與基體之間結(jié)合不夠緊密；Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層表面及鍍層中均勻彌散地分布著大量cBN 和hBN 顆粒；3 種鍍層的硬度均可達(dá)800 HV 以上，且Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層的硬度略高。

（2）即使經(jīng)過預(yù)鍍鎳處理，9Cr18 不銹鋼表面硬鉻鍍層的結(jié)合力依舊較差；Ni-P 化學(xué)鍍層雖然劃格測試時鍍層無明顯脫落，但結(jié)合強(qiáng)度只有49 MPa；而經(jīng)預(yù)鍍鎳處理后再進(jìn)行復(fù)合電鍍，Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層結(jié)合力較好、結(jié)合強(qiáng)度大于68 MPa。

（3）無論常溫還是200 ℃下，9Cr18 不銹鋼表面硬鉻鍍層的摩擦系數(shù)均較高，且在摩擦應(yīng)力作用下涂層出現(xiàn)明顯剝落、黏著磨損嚴(yán)重，耐磨性較差。常溫下，Ni-P 化學(xué)鍍層和Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)、磨損形貌、比磨損率均較為接近，耐磨性相當(dāng)；200 ℃下，Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)隨磨損時間延長呈下降趨勢，在長期摩擦過程中其耐磨性更優(yōu)。

（4）綜合考慮3 種耐磨鍍層的結(jié)合力、常溫耐磨性及高溫耐磨性，Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層更宜選作9Cr18不銹鋼表面的耐磨鍍層。