許喬瑜,何偉嬌

(華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣州510640)

非晶態(tài)Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層的耐磨性能

許喬瑜,何偉嬌

(華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,廣州510640)

采用納米ZrO2作為復(fù)合粒子,通過(guò)電鍍方法制備非晶態(tài)Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層,研究納米ZrO2粒子及熱處理溫度對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性能的影響。結(jié)果表明:納米ZrO2粒子的存在不影響鍍層基質(zhì)金屬的非晶態(tài)結(jié)構(gòu);鍍態(tài)下Ni2P鍍層的磨損受黏著磨損和犁削磨損機(jī)制共同作用,耐磨性能較差,納米ZrO2粒子的加入,緩解了鍍層的黏著磨損和犁削作用,使磨損量大幅降低;非晶態(tài)Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層在350℃熱處理溫度下已轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)結(jié)構(gòu),鍍層具有最高的耐磨性能,其磨損方式為磨粒磨損和脆性剝離。

電鍍;非晶態(tài);納米ZrO2粒子;Ni2P復(fù)合鍍層;耐磨性能

復(fù)合電鍍作為材料復(fù)合的主要方法之一,因其工藝簡(jiǎn)單、成本較低、工作溫度低等優(yōu)點(diǎn)[1]而得到廣泛應(yīng)用。復(fù)合鍍技術(shù)發(fā)明的初期,主要以SiC,A l2O3,SiO2等耐高溫的陶瓷粉末作為共沉積的固體顆粒,隨著研究的不斷深入和相關(guān)工藝的不斷完善,用于復(fù)合鍍的不溶性固體顆粒的種類和尺度范圍也大大拓展。隨著納米科技的興起,人們發(fā)現(xiàn)將固體粒徑減小到納米級(jí),可大幅度提高復(fù)合鍍層的質(zhì)量和性能[2,3]。

納米粒子粒徑小、比表面積大,易在鍍液中分散,故電鍍納米復(fù)合鍍層比普通電鍍復(fù)合鍍層具有更高的硬度、耐磨性、減摩性及耐蝕性等[4]。如目前研究較多的Ni2P2A l2O3[5,6],Ni2P2SiC[7,8],Ni2P2TiO2[9,10],Ni2 P2ND[11,12]等納米電鍍復(fù)合鍍層。已有研究表明,添加納米Al2O3粒子的復(fù)合材料的耐磨性與純鎳基合金相比提高了近2～3.25倍[13]。但目前關(guān)于納米ZrO2粒子對(duì)電鍍Ni2P鍍層耐磨性能方面的研究報(bào)道還較少。

在工業(yè)應(yīng)用中,對(duì)于要求耐蝕性的工件而言,希望鍍層為非晶態(tài)組織,而對(duì)于要求表面耐磨性能好的工件,則希望鍍層從非晶轉(zhuǎn)變?yōu)槲⒕ЫM織。非晶態(tài)Ni2P基復(fù)合鍍層由于不存在晶體缺陷而表現(xiàn)出較好的耐蝕性,然而其耐磨性在鍍態(tài)時(shí)并沒(méi)有處于最佳狀態(tài),但可以通過(guò)適當(dāng)?shù)臒崽幚硎瑰儗愚D(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)組織,或通過(guò)添加固體粒子以提高其耐磨性能。本工作采用在電鍍非晶態(tài)Ni2P合金中添加納米ZrO2粒子,研究納米ZrO2粒子及熱處理溫度對(duì)復(fù)合鍍層耐磨性能的影響。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 鍍層制備

試樣的基體材料為Q 235鋼,尺寸為30mm×40mm×3mm。

Ni2P電鍍層鍍液成分及工藝參數(shù):NiSO4·6H2O 260g/L,NiCl2·6H2O 60g/L,H3BO330g/L,H3PO330g/L,p H為1.3,溫度65℃,陰極電流密度2.5A· dm-2,攪拌速度350r·min-1,電鍍時(shí)間2h。

Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層的鍍液是在Ni2P鍍液的基礎(chǔ)上加入粒度為20～50nm的納米ZrO2粒子。

電鍍工藝流程:化學(xué)除油—水洗—酸洗—水洗—電鍍—水洗—吹干。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

采用LEO1530VP型掃描電鏡觀察鍍層表面形貌和磨痕形貌;采用Inca2300型能譜分析儀測(cè)定鍍層中Ni,P和ZrO2的含量。

采用Dmax/ⅢA型全自動(dòng)X射線衍射儀分析鍍層結(jié)構(gòu)。實(shí)驗(yàn)條件為:Cu Kα靶,石墨單色器,工作電壓40kV,電流30m V。

采用HMV22T顯微硬度計(jì)測(cè)量鍍層的顯微硬度,載荷為50g,加載時(shí)間為30s。

熱處理采用SG221.5210型坩鍋電阻爐,將已鍍?cè)嚇忧谐?0mm×10mm的小塊,置于爐中加熱至預(yù)定溫度,加熱時(shí)間為1h。

在MM 2200型磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行磨損試驗(yàn),實(shí)驗(yàn)條件為:加載147N,加載時(shí)間為15min,實(shí)驗(yàn)溫度為室溫20℃,采用20#機(jī)油潤(rùn)滑。下試樣采用外徑<4412mm×10mm的GCr15(HRC60～63)圓環(huán)。上試樣為鍍層,將其牢固地黏附在10mm×10mm× 10mm的45鋼基體上。上試樣保持靜止,下試樣以轉(zhuǎn)速為200r·m in-1轉(zhuǎn)動(dòng)。用XJ216A金相顯微鏡測(cè)量磨痕寬度。并用下式計(jì)算磨損體積V(mm3):

式中:D為環(huán)形試樣直徑(mm);t為塊形試樣寬度(mm);b為磨痕平均寬度(mm)。

2 結(jié)果與討論

2.1 鍍層表面形貌及結(jié)構(gòu)

圖1是鍍液中ZrO2納米粒子含量為40g/L時(shí)復(fù)合鍍層的表面形貌?？梢钥闯?鍍層表面彌散分布著許多納米ZrO2小顆粒,其中最大團(tuán)聚顆粒為150nm左右。EDS分析表明,鍍層中的P含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù),下同)為11.89%,ZrO2含量為2.96%。

Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層的X射線衍射結(jié)果如圖2所示,圖2中衍射峰仍然是較為平緩的漫射峰,說(shuō)明納米粒子的存在不影響基質(zhì)合金的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。在2θ= 30.2°和2θ=62.6°附近出現(xiàn)了兩個(gè)強(qiáng)度較小的ZrO2衍射峰。

圖1 Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層的表面形貌Fig.1 SEM micrograph of surfacemorphology of Ni2P2ZrO2composite coating

圖2 Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of Ni2P2ZrO2composite coating

2.2 納米ZrO2含量對(duì)鍍層耐磨性的影響

表1為鍍液中納米ZrO2添加量對(duì)非晶態(tài)Ni2P鍍層硬度和耐磨性能的影響。由表1可以看出,納米ZrO2的加入,使非晶態(tài)Ni2P鍍層的硬度總體上有較大的提高,硬度值由HV 550增加到添加納米ZrO2粒子后的最高值HV 695;磨損量則有大幅的降低,添加納米ZrO2粒子后的磨損量?jī)H為未添加時(shí)的5%左右。

表1 納米ZrO2含量對(duì)鍍層硬度和耐磨性能的影響Table 1 Effect of nano2ZrO2particle content on ___microhardness and wear resistance of composite coatings

圖3為非晶態(tài)Ni2P鍍層和Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層的磨損形貌。從圖3(a)可知,非晶態(tài)Ni2P鍍層磨痕寬度較大,磨損表面有嚴(yán)重的黏附和撕裂現(xiàn)象,并有犁溝存在。非晶態(tài)Ni2P鍍層是一種均質(zhì)材料,不存在晶體缺陷和成分偏析,但其硬度較低,在磨損過(guò)程中,硬度較高的摩擦輪與硬度較低的非晶態(tài)鍍層因接觸面積很小,在接觸處的高壓力下,足以引起非晶態(tài)鍍層表面產(chǎn)生塑性變形和冷焊現(xiàn)象,產(chǎn)生黏著效應(yīng),同時(shí),摩擦副之間的微凸體也會(huì)對(duì)非晶態(tài)鍍層起犁削作用,即產(chǎn)生犁削效應(yīng)。因此,Ni2P鍍層在黏著磨損和犁削磨損的共同作用下,耐磨性較差。

當(dāng)納米ZrO2添加量為2.96%時(shí),鍍層磨損形貌如圖3(b)所示?？梢钥闯?磨損表面有輕微的犁溝和少量的黏著剝落。由于此時(shí)鍍層中納米ZrO2粒子含量適中,僅出現(xiàn)輕微的團(tuán)聚,最大團(tuán)聚顆粒僅為150nm左右,納米粒子彌散分布于非晶態(tài)鍍層中,起到了彌散強(qiáng)化的作用,使鍍層硬度明顯提高。在磨損過(guò)程中復(fù)合鍍層與滑動(dòng)磨擦面接觸時(shí),首先是Ni2P基質(zhì)金屬發(fā)生磨損,當(dāng)鑲嵌在Ni2P基質(zhì)金屬中的ZrO2粒子露出表面時(shí),這些粒子開(kāi)始承受磨損;當(dāng)有部分尚未被Ni2P基質(zhì)金屬完全埋沒(méi)而凸出于基質(zhì)表面時(shí),則這些粒子在起始階段就開(kāi)始承受磨損,減輕了Ni2P基體的磨耗。彌散分布的高硬度ZrO2粒子在摩擦副相互作用的過(guò)程中起支撐作用,減小了硬度較低的基質(zhì)合金與摩擦輪的直接接觸面積,從而緩解了鍍層的黏著磨損,以此同時(shí),ZrO2納米粒子又使摩擦副表面微凸體在鍍層表面的犁削作用得到抑制,減弱了鍍層的微觀切削,使磨損量大幅降低。

圖3 鍍層磨損形貌的SEM照片 (a)Ni2P鍍層;(b)Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層Fig.3 SEM imagesof wear scar of coatings (a)Ni2P coating;(b)Ni2P2ZrO2composite coating

2.3 熱處理溫度對(duì)鍍層耐磨性的影響

圖4為不同溫度下Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層熱處理后的XRD圖譜?？梢钥闯?350℃時(shí)復(fù)合鍍層已由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)結(jié)構(gòu),析出相主要為Ni晶體和Ni3P相,以及ZrO2粒子和少量亞穩(wěn)態(tài)Ni5P2相,此時(shí)衍射峰的半高寬還較為寬化,表明析出相的晶粒較細(xì)小;升至400℃時(shí),亞穩(wěn)態(tài)Ni5P2相消失,復(fù)合鍍層全部由Ni晶體和Ni3P相組成,衍射峰呈銳化,表明在此溫度下已完成晶化過(guò)程,并隨著溫度的升高晶粒有所長(zhǎng)大; 500℃的衍射譜與400℃時(shí)相比,沒(méi)有新相出現(xiàn),只是Ni和Ni3P相衍射峰的進(jìn)一步銳化,即在500℃熱處理保溫過(guò)程中只是Ni晶粒和Ni3P相的聚集長(zhǎng)大。

表2為納米ZrO2含量為2.96%的復(fù)合鍍層在鍍態(tài)及不同溫度熱處理后的顯微硬度和磨損量。由表2可知,Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層在300℃以下熱處理時(shí),硬度上升緩慢,在350℃時(shí)硬度陡然上升,并在400℃處達(dá)到最大值HV 1349,但繼續(xù)提升溫度,則硬度開(kāi)始有所降低。復(fù)合鍍層的磨損量也隨硬度而變化,但是,最低磨損量并不與硬度最大值對(duì)應(yīng)。

圖4 Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層熱處理后的XRD圖譜Fig.4 XRD patterns of Ni2P2ZrO2composite coating after heat treatment at different temperatures

非晶態(tài)的Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層由于納米粒子的存在,使鍍層的結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定、致密。根據(jù)XRD分析結(jié)果,Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層的晶化溫度為350℃,在晶化溫度以下熱處理時(shí),組織結(jié)構(gòu)變化不明顯,只發(fā)生結(jié)構(gòu)弛豫,故鍍層硬度上升緩慢,其磨損過(guò)程與鍍態(tài)下的磨損相似,存在輕微的黏著磨損,只是隨著硬度的增加,磨損量有所下降。

表2 熱處理溫度對(duì)復(fù)合鍍層硬度和耐磨性能的影響Table 2 Effect of heat treatment temperature on ___microhardness and wear resistance of composite coati_____ngs

圖5為不同熱處理溫度后Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層的磨損形貌。當(dāng)熱處理溫度為350℃時(shí),復(fù)合鍍層已轉(zhuǎn)變?yōu)橛杉?xì)小晶粒組成的晶態(tài)結(jié)構(gòu),硬度顯著提高,此時(shí)的磨損量最低,耐磨性最佳。從圖5(a)的磨損形貌可以看出,磨損表面整體上比較平整,局部出現(xiàn)了剝離坑。圖5(b)為剝離處的微觀磨損形貌,從微觀形貌可以看到,在未剝離表面沿摩擦方向上存在著輕微的犁溝,其磨痕寬度與納米ZrO2粒子的粒度大小相當(dāng),說(shuō)明高硬度納米粒子作為磨粒有效地抵御和減輕了摩擦輪對(duì)鍍層的磨損,同時(shí)粒子本身也會(huì)對(duì)鍍層表面形成磨粒磨損。由于鍍層的硬度較高,因此由磨粒磨損引起的磨損量極微。另一方面,高硬度的鍍層其脆性也相應(yīng)增大,在磨損過(guò)程中局部高應(yīng)力的作用下,硬脆相易斷裂而導(dǎo)致鍍層磨損面的剝離。異的耐磨性能。

圖5 不同熱處理溫度后Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層的磨損形貌(a),(b)350℃;(c),(d)400℃Fig.5 SEM imagesof wear scar of Ni2P2ZrO2composite coating at different temperatures (a),(b)350℃;(c),(d)400℃

3 結(jié)論

(1)在Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層中,納米ZrO2粒子的存在不影響鍍層基質(zhì)的非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

(2)非晶態(tài)Ni2P鍍層在鍍態(tài)下的磨損受黏著磨損和犁削磨損機(jī)制共同作用,耐磨性能較差;納米ZrO2粒子的加入,緩解了鍍層的黏著磨損和犁削作用,使磨損量大幅降低。

當(dāng)熱處理溫度為400℃時(shí),雖然從XRD譜中衍射峰的銳化可推知晶粒有所長(zhǎng)大,但在該溫度下,亞穩(wěn)相已完全轉(zhuǎn)變?yōu)榉€(wěn)定相,實(shí)現(xiàn)了完全晶化,使鍍層的硬度達(dá)到最大值。與此同時(shí),鍍層的脆性也增大,導(dǎo)致鍍層的磨損剝離加劇,在磨損面出現(xiàn)較多的剝離坑(見(jiàn)圖5 (c)),磨損量有所增加。圖5(d)為400℃時(shí)剝離處的微觀磨損形貌。

上述結(jié)果表明,當(dāng)非晶態(tài)Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層經(jīng)熱處理轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)結(jié)構(gòu)后,其磨損機(jī)制已由黏著磨損轉(zhuǎn)變?yōu)槟チＤp和脆性剝離,但其磨損量極小,具有優(yōu)

(3)非晶態(tài)Ni2P2ZrO2復(fù)合鍍層在350℃熱處理溫度下已轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)結(jié)構(gòu),鍍層具有最高的耐磨性能,其磨損方式為磨粒磨損和脆性剝離。

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Wear Resistance of Amo rphous Ni2P2ZrO2Composite Coating

XU Qiao2yu,HEWei2jiao
(College of M aterials Science and Engineering,South China University of Technology,Guangzhou 510640,China)

The Ni2P2ZrO2composite coatings were p repared by electrop lating.The influence of nano2 ZrO2particlesand different temperaturesof heat treatmenton wear resistance of both Ni2P coating and Ni2P2ZrO2composite coating w ere investigated.The results show that nano2ZrO2particles can im2 p rove the wear resistance of amorphous coating and w ithout changing its amorphous structure;the w ear resistance of as2plated Ni2P coating is affected by both adhesive wear and microp loughing wear mechanism,under this situation its wear resistance is poor;the addition of nano2ZrO2particles in coating can relieve the w ear resistance of composite coating’s adhesive w ear and microp loughing ac2 tion.After heat treatment at 350℃for 1h the composite coating has the best wear resistance.Fur2 thermo re,the w ear mechanism changes to adhesive w ear and m icro2spalling w ear mechanism.

electrop lating;amorphous;nano2ZrO2particle;Ni2P composite coating;wear resistance

TG174.4

A

100124381(2010)1220061205

2010202211;

2010210206

許喬瑜(1955—),男,博士,副教授,主要從事材料表面工程研究,聯(lián)系地址:廣州市華南理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院(510640), E2mail:qyxu@scut.edu.cn