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)輪機工程學(xué)院，遼寧 大連 116026）

在遠洋運輸行業(yè)中，許多船舶機械零部件及船舶設(shè)備（如柴油機活塞環(huán)、曲軸、軸瓦等）在經(jīng)過長時間工作后，不可避免地會發(fā)生磨損，造成船舶設(shè)備的失效，極大地影響了船舶運行的安全性。因此，采用高效并且成本較低的手段對船舶機械零部件進行表面強化處理極其重要。常見的表面處理技術(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、對環(huán)境污染較小等優(yōu)勢，尤其是在鋼鐵表面進行鍍鐵時，由于兩者的晶格屬性相同，可以獲得與基體結(jié)合強度很高的鍍層[1-3]。

納米復(fù)合電鍍是通過在鍍液中添加不溶性納米顆粒實現(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)量濃度對鍍層性能的影響。

1 實驗

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）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)，電鍍過程分為5個階段：（1）交流活化預(yù)處理，正、負(fù)向電壓均為4 V，時間5 min；（2）交流起鍍，正向電壓4 V，負(fù)向電壓3 V，時間15 min；（3）過渡交流鍍，正向電壓4 V，負(fù)向電壓0.5 V，時間10 min；（4）小直流電鍍，正向電壓4 V，時間10 min；（5）大直流電鍍，正向電壓8 V，時間3 h[8]。

為保證TiC顆粒的均勻沉積，在電鍍過程中每隔15 min機械攪拌鍍液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)表征及性能測試

利用線切割機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行鑲嵌，對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全自動顯微硬度測試儀測量鍍層的顯微硬度，載荷1 N，加載時間10 s，在鍍層表面隨機測量3個點，取平均值。

使用自制往復(fù)式摩擦磨損試驗機進行摩擦磨損試驗和抗粘著試驗。試驗前，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)運動，試驗機頻率為40 Hz。摩擦磨損試驗時載荷為10 MPa，供油量為0.07 mL/min，沖程為60 mm，磨損時間為7 h。做抗粘著試驗時，初始載荷為50 N，每隔30 min增加50 N載荷，在貧油（0.01 mL/min）條件下進行，鍍層與對磨試樣發(fā)生粘著時停止試驗。

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，分別對應(yīng)Fe的（110）、（200）和（211）晶面。鍍液中添加納米TiC后，所得的鍍層XRD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，分別對應(yīng)TiC的（111）、（200）和（220）晶面，說明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，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，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，復(fù)合鍍層截面無明顯的孔洞和裂紋，鍍層與基體之間沒有明顯的分界線，結(jié)合良好。當(dāng)鍍液中TiC的質(zhì)量濃度提升至7 g/L時，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含量波動呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。鍍液中TiC顆粒的質(zhì)量濃度為3 g/L時，復(fù)合鍍層截面中的Ti含量只是出現(xiàn)小幅度波動，說明復(fù)合鍍層中含少量TiC顆粒。5 g/L時Ti含量的波動幅度較大，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)量濃度達到7 g/L時，Ti含量幾乎未發(fā)生波動，說明復(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，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，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鍍層在該實驗條件下的摩擦因數(shù)較大，并且在磨損4.9 h左右時發(fā)生突變。鍍液中TiC質(zhì)量濃度為5 g/L時，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)最小，波動也較小。繼續(xù)增大TiC質(zhì)量濃度至7 g/L時，復(fù)合鍍層的摩擦因數(shù)反而增大，并且在試驗過程中摩擦力不穩(wěn)定，摩擦磨損4 h左右時鍍層部分脫落，說明鍍液中TiC質(zhì)量濃度 較高時所得的Fe-TiC復(fù)合鍍層容易發(fā)生粘著磨損。因此，需進一步進行抗粘著磨損試驗，以檢測復(fù)合鍍層的抗粘著性能。

圖5 TiC顆粒質(zhì)量濃度對鍍層磨損量的影響 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，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)合鍍層開始發(fā)生粘著磨損的時間延長，TiC質(zhì)量濃度為5 g/L時試樣開始發(fā)生粘著磨損的時間最長，在相同載荷下產(chǎn)生的摩擦力較小，并且?guī)缀鯖]有波動，與Fe鍍層相比，其抗粘著磨損時間延長了3.25倍。增大TiC質(zhì)量濃度至7 g/L時，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中摩擦力隨時間的變化 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)過粘著試驗后，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，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)生的細長磨痕。而當(dāng)TiC質(zhì)量濃度為5 g/L時，F(xiàn)e-TiC復(fù)合鍍層在抗粘著磨損試驗后表面依然光潔平整，沒有出現(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，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、高硬度、高耐磨性、熱力學(xué)性能穩(wěn)定等優(yōu)點[10-11]，其在復(fù)合鍍層中可以起到彌散強化的作用[12]。綜上所述，鍍液中納米TiC顆粒質(zhì)量濃度為5 g/L時，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，鍍層的摩擦因數(shù)最低，磨損量最小，抗粘著磨損時間較Fe鍍層提高3.25倍，耐磨性最佳，顯微硬度高達795.8 HV。