候 建，王其良，王建梅

(太原科技大學(xué) 重型機(jī)械教育部工程研究中心，山西 太原 030024)

0 前言

隨著我國(guó)對(duì)鋼產(chǎn)量需求的增加，為了提高煉鋼效率，連鑄工藝得到廣泛應(yīng)用，其中結(jié)晶器是連鑄設(shè)備中的核心部件。結(jié)晶器的作用是在高溫鋼水流經(jīng)結(jié)晶器時(shí)對(duì)鋼水進(jìn)行凝固成型，通過結(jié)晶器的振動(dòng)使得坯殼在保證質(zhì)量的同時(shí)平穩(wěn)脫離結(jié)晶器，最后在拉矯機(jī)的作用下將鋼坯拉出。因此，結(jié)晶器的質(zhì)量決定了鋼坯的質(zhì)量。在結(jié)晶器使用過程中結(jié)晶器銅板會(huì)產(chǎn)生窄邊收縮、熱裂紋、磨損等現(xiàn)象[1]寬面銅板的銅基體未暴露，其壽命比窄面銅板壽命長(zhǎng)。窄面銅板在失去鍍層后加劇了銅基體磨損，脫落的銅元素會(huì)摻雜在鋼水中造成鑄坯表面產(chǎn)生星形裂紋，影響鑄坯的質(zhì)量，減少鑄坯的使用壽命。

結(jié)晶器銅板以Ni-Co鍍層應(yīng)用較多，目前研究者們對(duì)于Ni-Co鍍層的工藝條件和電沉積機(jī)理研究較多，Ni-Co鍍層的電沉積方式屬于異常沉積類型，Ni-Co鍍層的工藝參數(shù)對(duì)鍍層性能有顯著的影響[2]。Xu等[3]對(duì)Ni-Co薄膜進(jìn)行XRD分析后發(fā)現(xiàn)其結(jié)構(gòu)強(qiáng)烈依賴于二元涂層中的Co含量。Tian等[4]研究了pH值和鍍液成分對(duì)Ni-Co鍍層性能的影響，證明了電流效率和鈷含量隨著pH值的增加而增加。Rafailoviét[5]發(fā)現(xiàn)鍍液成分和電流密度影響Ni-Co鍍層的生長(zhǎng)機(jī)制、成分和微觀結(jié)構(gòu)。近年來，對(duì)納米顆粒的使用和研究備受關(guān)注，許多學(xué)者將納米顆粒加入Ni-Co鍍層中增加形核率、細(xì)化晶粒，從而提高鍍層硬度[6]。王一雍等[7]將納米Al2O3顆粒加入到Ni-Co鍍層中，獲得晶粒小、硬度高、性能優(yōu)越的Ni-Co/Al2O3復(fù)合鍍層。王立平等[8]采用納米金剛石顆粒加入Ni-Co鍍層中，由于納米金剛石的彌散強(qiáng)化作用，Ni-Co合金鍍層的硬度顯著提高。Ranjith B等[9]將TiO2顆粒引入Ni-Co鍍層中，得到的Ni-Co/TiO2復(fù)合鍍層比Ni-Co鍍層硬度更高。隨著激光技術(shù)的發(fā)展，激光織構(gòu)技術(shù)在涂層上應(yīng)用的研究逐漸增多，周龍鵬[10]采用激光織構(gòu)技術(shù)對(duì)Ni-Co鍍層表面織構(gòu)化處理，分析了激光功率對(duì)鍍層表面形貌的影響，發(fā)現(xiàn)通過改變鍍層表面潤(rùn)濕角，可實(shí)現(xiàn)對(duì)摩擦性能的調(diào)控。

目前大多數(shù)學(xué)者的研究重點(diǎn)在于Ni-Co合金鍍層工藝參數(shù)對(duì)鍍層耐磨性的影響，對(duì)于各種工況下鍍層的摩擦磨損特性研究較少。本文針對(duì)Co含量低的結(jié)晶器銅板磨損問題進(jìn)行磨損特性研究，制備了Co濃度在10%以下的鍍層，研究了Co含量對(duì)Ni-Co鍍層硬度的影響，得到了Co含量與硬度的關(guān)系，并對(duì)不同載荷下Ni-Co鍍層的磨損特性行研究，為提高鍍層耐磨性，延長(zhǎng)結(jié)晶器銅板壽命提供了理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 試件加工與實(shí)驗(yàn)儀器

結(jié)晶器窄面銅板下口發(fā)生的磨損較為嚴(yán)重，磨損呈倒三角形狀，如圖1所示，本實(shí)驗(yàn)采用線切割機(jī)從電鍍后的結(jié)晶器銅板上截取10 mm×10 mm×10 mm的樣品，如圖2所示。在磨損實(shí)驗(yàn)開始前用砂紙對(duì)試件進(jìn)行打磨、水洗以及拋光處理，用超生波清洗儀去除殘留在表面的磨屑和污物，烘干并保存。采用顯微硬度儀測(cè)量試件鍍層的顯微硬度，為了能準(zhǔn)確反映鍍層硬度，在每個(gè)試件鍍層表面的上中下三個(gè)部位分別均勻的各取三個(gè)點(diǎn)測(cè)量其硬度值，記錄參數(shù)取平均值。磨損量檢測(cè)基于失重法原理，采用0.1 mg電子天平稱量磨損前后的樣品質(zhì)量，Ni-Co鍍層磨損實(shí)驗(yàn)采用CFT-I多功能摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)，如圖3所示對(duì)樣品鍍層進(jìn)行摩擦磨損。

圖1 窄面銅板磨損圖

圖2 鍍層實(shí)驗(yàn)樣品

圖3 摩擦磨損實(shí)驗(yàn)機(jī)

1.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)及方法

實(shí)驗(yàn)參數(shù)：圓盤速度500 r/min，室溫下進(jìn)行磨合，運(yùn)行時(shí)間15 min，運(yùn)行長(zhǎng)度5 mm，摩擦方式為球面往復(fù)摩擦，試件分三組設(shè)置20 N、50 N和80 N的載荷梯度，對(duì)摩副為陶瓷小球。

試驗(yàn)樣品測(cè)試前后需采用無水乙醇和超聲波清洗機(jī)清洗試件，以除去試驗(yàn)樣品表面存在的異物，每次磨損實(shí)驗(yàn)后，Ni-Co鍍層樣品的質(zhì)量損失由精度為0.1 mg的電子天平進(jìn)行測(cè)定，磨損量取相同實(shí)驗(yàn)條件下三次摩擦磨損實(shí)驗(yàn)的算術(shù)平均值。利用掃描電子顯微鏡(SEM)，觀察樣品表面磨損并進(jìn)行能譜(EDS)掃描觀察其元素含量，對(duì)比磨損前后元素變化分析磨痕表面成分，摩擦磨損前觀察Ni-Co鍍層與銅基體的界面結(jié)合情況，摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后觀察磨損后基體與鍍層的摩擦表面形貌以及不同磨損程度下電鍍層的致密性和組織變化。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 硬度分析

Ni-Co鍍層硬度的檢測(cè)結(jié)果如表1所示，樣品的硬度在300～370 HV之間，純鎳鍍層的硬度為200～240 HV，Ni-Co鍍層的硬度高于純鎳鍍層。結(jié)合Co元素含量探究硬度變化，隨著Co元素含量的增加，鍍層的硬度增加，結(jié)果如圖4所示。這是因?yàn)镃o能抑制鍍層結(jié)構(gòu)形成[11]，較高的Co元素能夠促進(jìn)Ni-Co固溶體的形成，改變結(jié)晶時(shí)晶粒取向起到細(xì)化晶粒的作用，從而使得鍍層硬度增加[12]。

表1 樣品硬度/HV

圖4 Co濃度與硬度關(guān)系

2.2 磨損分析

由于陶瓷球的磨損較少，其磨損量可忽略不計(jì)，表2為不同壓力參數(shù)下對(duì)Ni-Co鍍層進(jìn)行摩擦磨損實(shí)驗(yàn)后得到的鍍層平均磨損量。由表2可知，Ni-Co鍍層與陶瓷球?qū)δr(shí)，Ni-Co鍍層的磨損量隨著壓力的增加而成倍增加。隨著載荷的增加，陶瓷球上的粗糙峰和硬質(zhì)磨屑?jí)喝脲儗拥纳疃仍黾?，?duì)鍍層材料的犁削作用變強(qiáng)，磨痕邊緣磨屑堆積變多。

表2 不同施加載荷下的平均磨損量

Ni-Co鍍層與Si3N4陶瓷對(duì)摩球進(jìn)行摩擦磨損后的微觀形貌結(jié)果如圖5所示，載荷在較小時(shí)，磨損表面以較長(zhǎng)且淺的微小切削和犁溝為主，同時(shí)局部區(qū)域存在大小不一的剝落坑，這表明鍍層的磨損形式以磨粒磨損和黏著磨損為主同時(shí)存在局部的疲勞磨損，隨著載荷的增加，磨粒磨損現(xiàn)象加重，磨屑增多造成磨痕邊緣產(chǎn)生黏著磨損，磨痕中部長(zhǎng)犁溝減少，短而深的犁溝增多，載荷達(dá)到最大時(shí)，磨痕中部出現(xiàn)較多且較深的剝落坑，犁溝效應(yīng)減少，磨損機(jī)理以黏著磨損為主，載荷變大造成摩擦過程復(fù)雜表面形成的氧化層出現(xiàn)裂紋。

圖5 不同載荷下磨損表面形貌的SEM照片

磨粒磨損是對(duì)摩副中硬質(zhì)表面上的粗糙峰或硬質(zhì)顆粒在摩擦過程中對(duì)軟材料的犁削和擠壓作用引起的材料脫落[13]。磨損量與磨粒的大小和形狀等有關(guān)，磨痕的深度和寬度也會(huì)隨著壓力的增加和第三體顆粒的增大而變大，圖5a中的長(zhǎng)犁溝是在較低的表面接觸應(yīng)力影響下形成的長(zhǎng)程切削，這是由于陶瓷球表面上的微凸體在鍍層表面起著磨粒作用，這屬于低應(yīng)力二體磨粒磨損[14]。圖5b中的短犁溝是由于外界磨?；蚯行碱w粒在兩摩擦表面間以滾動(dòng)的形式移動(dòng)形成了摩擦痕跡較短的犁溝，這屬于高應(yīng)力三體磨粒磨損[15]，這會(huì)導(dǎo)致犁溝中的材料受到剪切擠壓產(chǎn)生塑性流動(dòng)，擠出來的材料在壓力的作用下被壓平滯留在犁溝邊緣造成磨痕表面粗糙不平。

圖5c黏著磨損是在摩擦副表面發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，隨著摩擦的進(jìn)行表面溫度升高材料發(fā)生軟化，硬質(zhì)表面上的微凸體和磨粒會(huì)壓入鍍層表面產(chǎn)生塑性變形，儲(chǔ)存下大量變形能，這些能量會(huì)用于應(yīng)變強(qiáng)化和使摩擦環(huán)境溫度升高[16]，這些接觸點(diǎn)在高溫高壓下受到超過材料本身屈服極限的力產(chǎn)生黏著，最后在剪切力的作用下表面材料被撕扯下來形成磨屑或轉(zhuǎn)移到另一表面[13]。

圖5中的裂紋是在反復(fù)接觸應(yīng)力的影響下導(dǎo)致摩擦材料軟化并在材料表層內(nèi)部的應(yīng)力集中處產(chǎn)生，之后在剪切力的作用下裂紋沿著滑動(dòng)方向擴(kuò)展然后延伸到表面。摩擦材料中硬質(zhì)點(diǎn)造成局部各向異性，破壞了Ni-Co合金鍍層的連續(xù)性，降低接觸疲勞壽命，增加了疲勞磨損的產(chǎn)生，在循環(huán)應(yīng)力作用下這些硬質(zhì)顆粒會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致顆粒從Ni-Co鍍層中脫離成為第三體磨屑，加速疲勞磨損和磨粒磨損的產(chǎn)生。在滑動(dòng)過程中，微凸體受到沿滑動(dòng)方向的力造成鍍層材料前拉后壓，加劇表面裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展[17]。

2.3 EDS分析

如圖6所示為鍍層界面線掃描，圖6a為鍍層界面的微觀形貌圖，從中可以看出Ni-Co鍍層均勻致密，界面處Ni-Co鍍層與銅基體的凹凸部分相互咬合，結(jié)合界面連續(xù)但鍍層與銅基體之間存在小縫隙。從圖6b可以看出界面元素分布均勻，基體一側(cè)Cu元素含量約是Ni元素的3.8倍，Cu元素曲線的波動(dòng)是由于基體側(cè)含有的其他元素導(dǎo)致，鍍層一側(cè)以Ni、Co元素為主，Ni含量最高，鍍層中還含有少量Cu元素，其含量與Co元素相近，Si元素的含量曲線呈現(xiàn)不連續(xù)的凸峰，這是因?yàn)殄儗釉诖蚰伖膺^程中磨屑?xì)埩粼诒砻姘伎又兴鶎?dǎo)致的，這種現(xiàn)象在界面處表現(xiàn)的更加明顯。

圖6 鍍層界面線掃描

如圖7所示為磨損表面的能譜分析，從圖中可以看到所檢測(cè)元素的分布，從圖7a可知，在載荷為20 N下的磨損表面形成了一層Ni和Co的氧化層，氧化層的出現(xiàn)對(duì)鍍層起到保護(hù)作用減少了磨粒磨損的出現(xiàn)和磨屑在鍍層上的黏著傾向，也可以抵抗硬質(zhì)顆粒的犁削。圖7b為載荷50 N時(shí)磨損表面的能譜掃描，圖中磨損表面氧化嚴(yán)重，在短且深的犁溝深處氧元素含量少，這是因?yàn)檩d荷的增加導(dǎo)致氧化層被破壞，磨損表面又在摩擦熱的影響下氧化，犁溝底部氧化現(xiàn)象輕微。載荷為80 N時(shí)能譜掃描如圖7c所示，磨痕以外的氧元素是由于未保存好導(dǎo)致表面氧化，由于載荷較大造成的剝落坑較深，凹坑內(nèi)氧元素較少磨損后期氧化磨損主要發(fā)生在表面，氧化層的成分為NiO薄膜，隨著載荷的增加NiO薄膜難以再抵擋犁削甚至被破壞成為磨屑。在實(shí)際連鑄環(huán)境中，工作中產(chǎn)生的氧化硅或氧化鈣等保護(hù)渣也會(huì)加入到磨損過程中造成劇烈磨削，嚴(yán)重磨損縮短結(jié)晶器使用壽命。

圖7 磨損表面能譜掃面結(jié)果

2.4 摩擦系數(shù)

載荷是通過改變微凸體的接觸面積和接觸表面狀態(tài)來影響摩擦系數(shù)，陶瓷球與摩擦表面接觸時(shí)載荷由表面上較高的微凸峰承擔(dān)，造成微凸峰尺寸增加，隨著載荷的增加微凸峰的數(shù)量也會(huì)增加。如圖8所示為不同載荷下的摩擦系數(shù)，20 N和50 N時(shí)的平均摩擦系數(shù)相近，80 N時(shí)的平均摩擦系數(shù)最小，因?yàn)榻饘俦砻嬉话銥閺椝苄越佑|狀態(tài)，載荷與實(shí)際接觸面積呈非線性接觸會(huì)造成平均摩擦系數(shù)隨載荷的增加而下降[12]。

三條摩擦系數(shù)曲線均先升后降，最后達(dá)到平穩(wěn)。磨損初期，摩擦材料吸收空氣、水等物質(zhì)會(huì)形成一層薄膜，這層有機(jī)薄膜導(dǎo)致初始摩擦系數(shù)較小，在薄膜被破壞后摩擦系數(shù)迅速上升，隨著溫度和應(yīng)力的逐漸增加，表面產(chǎn)生的一層NiO摩擦反應(yīng)層抑制了磨損并減小了摩擦系數(shù)，在表面的摩擦反應(yīng)層被破壞后，產(chǎn)生的NiO磨屑具有一定的減磨潤(rùn)滑作用使得摩擦系數(shù)持續(xù)下降，減緩了磨損速度，在摩擦磨損后期，NiO膜的減磨效應(yīng)與磨損效應(yīng)相平衡摩擦系數(shù)趨于穩(wěn)定。在摩擦系數(shù)平穩(wěn)階段出現(xiàn)的摩擦系數(shù)波動(dòng)是磨損后期因?yàn)閵A具出現(xiàn)松動(dòng)造成的振動(dòng)導(dǎo)致。

圖8中載荷為20 N時(shí)摩擦系數(shù)因NiO膜的減磨效應(yīng)明顯摩擦系數(shù)在該階段下降相對(duì)緩慢，結(jié)合磨損形貌圖看，這是因?yàn)樵谠撦d荷下出現(xiàn)輕微的黏著磨損和磨粒磨損，表面的摩擦反應(yīng)層破壞不嚴(yán)重；載荷為50 N時(shí)產(chǎn)生的犁溝更深，磨痕的邊緣以及末端因?yàn)槟バ级逊e出現(xiàn)了剝落坑，在摩擦系數(shù)下降階段坡度較緩；載荷為80 N時(shí)，短且深的犁溝變多，磨痕中部的剝落坑變多，較大的載荷造成了不斷的氧化反應(yīng)使得摩擦過程中磨損變化復(fù)雜造成摩擦系數(shù)下降階段時(shí)間較長(zhǎng)。

3 結(jié)論

(1)硬度是影響磨損量的重要因素之一，通過對(duì)Ni-Co鍍層硬度的研究發(fā)現(xiàn)，Ni-Co鍍層的硬度隨著Co含量的增加而增加，鍍層硬度在300～370 HV之間。

(2)Ni-Co鍍層的磨損量隨著載荷的增加而增加，磨痕邊緣的磨屑堆積現(xiàn)象加重。載荷較小時(shí)鍍層的磨損形式以磨粒磨損為主，并伴有輕微的黏著磨損和疲勞磨損，隨著載荷的增加，犁溝效應(yīng)加劇，磨損量增加，黏著磨損也逐漸占據(jù)主導(dǎo)。

(3)載荷較小時(shí)平均摩擦系數(shù)變化小，隨著載荷的逐漸增大，摩擦過程中的磨損變化復(fù)雜，局部的高溫導(dǎo)致氧化膜產(chǎn)生，平均摩擦系數(shù)減小，導(dǎo)致達(dá)到穩(wěn)定摩擦階段的時(shí)間變長(zhǎng)。