劉大勇，吳成寶, *，李家宇，于杰

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機維修工程學(xué)院，廣東 廣州 510470；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院材料科學(xué)與工程系，廣東 深圳 518055）

電動機中普遍采用軸與滾動軸承連接配合，滑動軸承價格低廉且加工簡單，用其代替滾動軸承可大幅降低電動機的制造成本，但電動機工作時軸與滑動軸承間的摩擦比用滾動軸承時嚴(yán)重，軸容易被磨損，電動機的使用壽命因此而縮短。對電機軸進行表面改性能夠降低摩擦損傷，延長電機的使用壽命。近年來，化學(xué)鍍Ni-P合金因具有優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性而被廣泛用作機械零件的保護層[1-4]。在Ni-P合金鍍層與其他表面相互摩擦和刮擦的過程中，鍍層的致密性和結(jié)合力是決定鍍層失效與否的關(guān)鍵因素[5]。因此，通過改進化學(xué)鍍Ni-P合金工藝來提高Ni-P合金鍍層的致密性和結(jié)合力，是降低電動機中軸和滑動軸承磨損率的有效方法。

稀土元素具有提純和凈化作用，已成功應(yīng)用于冶金、電子、化學(xué)工程等許多領(lǐng)域[6-8]。稀土元素具有獨特的4f電子構(gòu)型，原子半徑大，電負性低，表面活性高，很容易形成正離子并與晶界中的其他元素發(fā)生反應(yīng)[9]。將稀土元素用于化學(xué)鍍能提高鍍液穩(wěn)定性，加快沉積，提高鍍層的結(jié)構(gòu)和性能[10-11]。Ashassi-Sorkhabi等研究了稀土鈰和鑭對化學(xué)鍍Ni-P合金的影響，發(fā)現(xiàn)稀土元素具有細化鍍層晶粒的作用，從而獲得鏡面光亮的Ni-P合金鍍層，但稀土元素含量過高會令沉積速率降低，使鍍層不均勻[12]。目前多數(shù)已報道文獻更關(guān)注稀土含量對化學(xué)鍍Ni-P合金沉積速率以及鍍層結(jié)構(gòu)和耐磨性的影響，有關(guān)稀土對化學(xué)鍍層結(jié)合力的影響及摻雜情況卻較少提及。

本研究工作在酸性化學(xué)鍍液中添加不同質(zhì)量濃度的稀土Ce4+，在高碳鋼電機軸表面化學(xué)鍍Ni-P合金，研究了稀土Ce4+質(zhì)量濃度對Ni-P合金鍍層致密性和結(jié)合力的影響，探討了Ce4+在Ni-P合金中的摻雜情況，通過模擬電機軸與滑動軸承套的磨損，分析了鍍覆Ni-P合金的電機軸與銅基滑動軸承之間的摩擦磨損行為。

1 實驗

1.1 化學(xué)鍍Ni-P合金工藝

采用直徑2.3 mm、長6 mm的高碳鋼電機軸作為基材。先用400#至1500#的SiC砂紙逐級打磨，然后采用質(zhì)量分數(shù)為3%的SK-18金屬清洗劑脫脂，超聲波清洗后用蒸餾水洗凈。

化學(xué)鍍配方和工藝條件為：NiSO4·6H2O 28 g/L，NaH2PO4·H2O 30 g/L，Na3C6H5O7·2H2O 20 g/L，CH3COONa 20 g/L，丁二酸(C4H6O4)10 g/L，乳酸(C3H6O3)5 mL/L，KIO320 mL/L，pH 5.0 ± 0.1，溫度(85 ± 1) ℃，時間30 min。

稀土氧化鈰(純度99.99%)購自山東德盛新材料有限公司，經(jīng)處理轉(zhuǎn)變成四價鹽后加入鎳-磷化學(xué)鍍液中。所用其他化學(xué)試劑均購自臺山市粵僑試劑塑料有限公司，純度均高于99%。

1.2 性能表征

采用JEOL JSM-6330F掃描電子顯微鏡(SEM)觀察Ni-P合金鍍層的表面形貌。使用日本理學(xué)D/Max-III X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的相結(jié)構(gòu)，銅靶，Kα輻射，波長1.540 50 ?。

采用藍點法檢測鍍層的孔隙率，以評價鍍層的致密性，分別使用氯化鈉和鐵氰化鉀作為腐蝕劑和指示劑。

采用WS-2005型涂層附著力自動劃痕儀檢測鍍層與基體之間的結(jié)合力，加載速率為100 N/min，隨負荷增大，聲圖上會出現(xiàn)一個連續(xù)的峰值，對應(yīng)的載荷即為Ni-P合金與軸基體之間的結(jié)合力。

先用濃硝酸溶解電機軸表面的Ni-P合金鍍層，再將所得溶液稀釋至100 mL，接著用Optima 2000DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)檢測Ce是否已摻入Ni-P合金中。

1.3 摩擦磨損試驗

如圖1所示，模擬微型電動機軸與滑動軸承套配合的實際摩擦狀況進行摩擦磨損試驗。滑動軸承為銅-鐵粉末冶金件，內(nèi)表面有微小孔洞。先將滑動軸承熱處理至洛氏硬度為28 ～ 35 HRC，再浸漬潤滑油，低溫烘干，試驗條件為：載荷20 N，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，時間12 h。由Nikon Epiphot 200倒置金相顯微鏡獲得摩擦磨損試驗后滑動軸承和軸的光學(xué)顯微鏡圖像，并采用掃描電鏡觀察它們的磨損形貌。

圖1 鍍覆Ni-P合金的鋼軸與銅基滑動軸承配合的摩擦磨損試驗示意圖Figure 1 Sketch showing the frictional wear testing between Ni-P alloy-coated steel shaft and copper-based sliding bearing

2 結(jié)果與討論

2.1 Ce4+質(zhì)量濃度對Ni-P合金鍍層性能的影響

2.1.1 表面形貌

鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度對Ni-P合金鍍層的表面形貌影響很大。從圖2可知，鍍液中未加Ce4+時，所得Ni-P合金鍍層表面含有大量胞狀顆粒。添加少量(如5 mg/L和20 mg/L)Ce4+時，獲得的Ni-P合金表面比較平整，表面顆粒較小，說明添加少量Ce4+能夠改善鍍層的均勻性。但增大稀土Ce4+質(zhì)量濃度至50 mg/L時，鍍層表面又變得不均勻，且出現(xiàn)大量孔洞。在實驗中還發(fā)現(xiàn)，鍍液中稀土Ce4+質(zhì)量濃度為100 mg/L時，Ni-P合金基本無法沉積到軸表面。

圖2 不同Ce4+質(zhì)量濃度時獲得的Ni-P合金鍍層的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of Ni-P alloy coatings prepared with different mass concentrations of Ce4+

2.1.2 相結(jié)構(gòu)

從圖3可見，不同Ce4+質(zhì)量濃度下所得Ni-P合金鍍層都在2θ為45°附近出現(xiàn)典型的“饅頭峰”，說明它們都是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。與未加Ce4+時相比，添加Ce4+后所得合金鍍層的“饅頭峰”變寬，說明Ce4+的添加能夠令Ni-P合金鍍層更均勻、細致。

圖3 不同Ce4+質(zhì)量濃度時獲得的Ni-P合金鍍層的XRD譜圖Figure 3 XRD patterns of Ni-P alloy coatings prepared with different mass concentrations of Ce4+

2.1.3 致密性和結(jié)合力

從圖4可知，隨鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度增大，Ni-P合金鍍層的孔隙率先減小后增大，結(jié)合力先升高后降低。Ce4+質(zhì)量濃度為20 mg/L時，Ni-P合金鍍層的孔隙率和結(jié)合力分別為3.2個/cm2和56 N，致密性最好，結(jié)合力最高。這是因為稀土Ce的表面活性高，易與鍍液中的雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)，起到去除鍍液雜質(zhì)的作用，從而避免雜質(zhì)在鍍層與基體界面積聚。

圖4 Ce4+質(zhì)量濃度對Ni-P合金孔隙率和結(jié)合力的影響Figure 4 Effect of mass concentration of Ce4+on porosity and adhesion of Ni-P alloy coating

2.1.4 耐磨性

從圖5a可知，鍍液中未添加Ce4+時，所得Ni-P合金鍍層在摩擦磨損試驗后表面有劃痕，但無明顯的剝落現(xiàn)象，滑動軸承中間的油孔完好，但兩邊發(fā)生塑性變形，油孔被密封。由圖5b可見，Ce4+質(zhì)量濃度為20 mg/L時，所得Ni-P合金鍍層的耐磨性最佳，在摩擦磨損試驗后表面只留下輕微的劃痕，滑動軸承表面幾乎沒有塑性變形，油孔完好無損，說明Ni-P合金鍍層與滑動軸承配合良好。這是因為此時Ni-P合金鍍層的結(jié)合力高，表面光潔，不容易對滑動軸承表面造成磨損。由圖5c可知，Ce4+質(zhì)量濃度為50 mg/L時，所得Ni-P合金鍍層的耐磨性最差，摩擦磨損試驗后滑動軸承和軸都已經(jīng)嚴(yán)重磨損，鋼軸表面發(fā)生明顯的剝落(見圖5c右上角)，滑動軸承表面所有油孔都被完全堵塞(見圖5c下半部分)。

圖5 不同Ce4+質(zhì)量濃度時獲得的Ni-P合金鍍層與滑動軸承經(jīng)摩擦磨損試驗后的形貌Figure 5 Morphologies of Ni-P alloy coatings prepared with different mass concentrations of Ce4+ and sliding bearing after wear and friction test between them

2.2 稀土鈰在Ni-P合金鍍層中的摻雜

如圖6所示，鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度為5 mg/L和20 mg/L時，ICP光譜中Ce的信號非常弱，表明所得Ni-P合金鍍層中基本上沒有Ce元素。鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度為50 mg/L時，在413.76 nm附近出現(xiàn)了非常強的Ce光譜，表明Ce元素已摻入Ni-P合金鍍層中?？赡茉驗椋篊e4+濃度較低時，鍍液中的Ce4+主要與雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)；Ce4+濃度較高時，部分Ce4+與雜質(zhì)元素反應(yīng)，剩余的Ce4+離子由于其特殊的4f電子構(gòu)型而吸附在基體表面并形成Ce膜[11]。Ce膜的形成會令Ni在基體表面的成核速率和生長速率降低，導(dǎo)致Ni-P合金鍍層不均勻，結(jié)合力降低。

圖6 不同Ce4+濃度制備Ni-P合金的ICP-OES譜圖Figure 6 ICP-OES spectra of Ni-P alloy coatings prepared with different mass concentrations of Ce4+

3 結(jié)論

采用酸性化學(xué)鍍鎳溶液在高碳鋼電機軸上成功制備了Ni-P合金。鍍液中添加適量(5 ～ 20 mg/L)的Ce4+后，所得Ni-P合金鍍層的均勻性、平整性和致密性都得到了改善，晶粒細化，與軸的結(jié)合力提高。鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度為20 mg/L時，Ni-P合金鍍層表面最均勻、平整，結(jié)合力達56 N，耐磨性最佳。