許喬瑜,何偉嬌

(華南理工大學材料科學與工程學院,廣州510640)

非晶態(tài)Ni2P2ZrO2復合鍍層的耐磨性能

許喬瑜,何偉嬌

(華南理工大學材料科學與工程學院,廣州510640)

采用納米ZrO2作為復合粒子,通過電鍍方法制備非晶態(tài)Ni2P2ZrO2復合鍍層,研究納米ZrO2粒子及熱處理溫度對復合鍍層耐磨性能的影響。結果表明:納米ZrO2粒子的存在不影響鍍層基質金屬的非晶態(tài)結構;鍍態(tài)下Ni2P鍍層的磨損受黏著磨損和犁削磨損機制共同作用,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復合鍍層在350℃熱處理溫度下已轉變?yōu)榫B(tài)結構,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復合鍍層;耐磨性能

復合電鍍作為材料復合的主要方法之一,因其工藝簡單、成本較低、工作溫度低等優(yōu)點[1]而得到廣泛應用。復合鍍技術發(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工藝的不斷完善,用于復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,可大幅度提高復合鍍層的質量和性能[2,3]。

納米粒子粒徑小、比表面積大,易在鍍液中分散,故電鍍納米復合鍍層比普通電鍍復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]等納米電鍍復合鍍層。已有研究表明,添加納米Al2O3粒子的復合材料的耐磨性與純鎳基合金相比提高了近2～3.25倍[13]。但目前關于納米ZrO2粒子對電鍍Ni2P鍍層耐磨性能方面的研究報道還較少。

在工業(yè)應用中,對于要求耐蝕性的工件而言,希望鍍層為非晶態(tài)組織,而對于要求表面耐磨性能好的工件,則希望鍍層從非晶轉變?yōu)槲⒕ЫM織。非晶態(tài)Ni2P基復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)時并沒有處于最佳狀態(tài),但可以通過適當?shù)臒崽幚硎瑰儗愚D變?yōu)榫B(tài)組織,或通過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復合鍍層耐磨性能的影響。

1 實驗

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,電鍍時間2h。

Ni2P2ZrO2復合鍍層的鍍液是在Ni2P鍍液的基礎上加入粒度為20～50nm的納米ZrO2粒子。

電鍍工藝流程:化學除油—水洗—酸洗—水洗—電鍍—水洗—吹干。

1.2 實驗方法

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

采用Dmax/ⅢA型全自動X射線衍射儀分析鍍層結構。實驗條件為:Cu Kα靶,石墨單色器,工作電壓40kV,電流30m V。

采用HMV22T顯微硬度計測量鍍層的顯微硬度,載荷為50g,加載時間為30s。

熱處理采用SG221.5210型坩鍋電阻爐,將已鍍試樣切成10mm×10mm的小塊,置于爐中加熱至預定溫度,加熱時間為1h。

在MM 2200型磨損試驗機上進行磨損試驗,實驗條件為:加載147N,加載時間為15min,實驗溫度為室溫20℃,采用20#機油潤滑。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,下試樣以轉速為200r·m in-1轉動。用XJ216A金相顯微鏡測量磨痕寬度。并用下式計算磨損體積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 結果與討論

2.1 鍍層表面形貌及結構

圖1是鍍液中ZrO2納米粒子含量為40g/L時復合鍍層的表面形貌。可以看出,鍍層表面彌散分布著許多納米ZrO2小顆粒,其中最大團聚顆粒為150nm左右。EDS分析表明,鍍層中的P含量(質量分數(shù),下同)為11.89%,ZrO2含量為2.96%。

Ni2P2ZrO2復合鍍層的X射線衍射結果如圖2所示,圖2中衍射峰仍然是較為平緩的漫射峰,說明納米粒子的存在不影響基質合金的非晶態(tài)結構。在2θ= 30.2°和2θ=62.6°附近出現(xiàn)了兩個強度較小的ZrO2衍射峰。

圖1 Ni2P2ZrO2復合鍍層的表面形貌Fig.1 SEM micrograph of surfacemorphology of Ni2P2ZrO2composite coating

圖2 Ni2P2ZrO2復合鍍層的XRD圖譜Fig.2 XRD pattern of Ni2P2ZrO2composite coating

2.2 納米ZrO2含量對鍍層耐磨性的影響

表1為鍍液中納米ZrO2添加量對非晶態(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粒子后的磨損量僅為未添加時的5%左右。

表1 納米ZrO2含量對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鍍層是一種均質材料,不存在晶體缺陷和成分偏析,但其硬度較低,在磨損過程中,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,同時,摩擦副之間的微凸體也會對非晶態(tài)鍍層起犁削作用,即產(chǎn)生犁削效應。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。

當納米ZrO2添加量為2.96%時,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。由于此時鍍層中納米ZrO2粒子含量適中,僅出現(xiàn)輕微的團聚,最大團聚顆粒僅為150nm左右,納米粒子彌散分布于非晶態(tài)鍍層中,起到了彌散強化的作用,使鍍層硬度明顯提高。在磨損過程中復合鍍層與滑動磨擦面接觸時,首先是Ni2P基質金屬發(fā)生磨損,當鑲嵌在Ni2P基質金屬中的ZrO2粒子露出表面時,這些粒子開始承受磨損;當有部分尚未被Ni2P基質金屬完全埋沒而凸出于基質表面時,則這些粒子在起始階段就開始承受磨損,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程中起支撐作用,減小了硬度較低的基質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,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 熱處理溫度對鍍層耐磨性的影響

圖4為不同溫度下Ni2P2ZrO2復合鍍層熱處理后的XRD圖譜?？梢钥闯?350℃時復合鍍層已由非晶態(tài)轉變?yōu)榫B(tài)結構,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,此時衍射峰的半高寬還較為寬化,表明析出相的晶粒較細小;升至400℃時,亞穩(wěn)態(tài)Ni5P2相消失,復合鍍層全部由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程,并隨著溫度的升高晶粒有所長大; 500℃的衍射譜與400℃時相比,沒有新相出現(xiàn),只是Ni和Ni3P相衍射峰的進一步銳化,即在500℃熱處理保溫過程中只是Ni晶粒和Ni3P相的聚集長大。

表2為納米ZrO2含量為2.96%的復合鍍層在鍍態(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復合鍍層在300℃以下熱處理時,硬度上升緩慢,在350℃時硬度陡然上升,并在400℃處達到最大值HV 1349,但繼續(xù)提升溫度,則硬度開始有所降低。復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應。

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

非晶態(tài)的Ni2P2ZrO2復合鍍層由于納米粒子的存在,使鍍層的結構更加穩(wěn)定、致密。根據(jù)XRD分析結果,Ni2P2ZrO2復合鍍層的晶化溫度為350℃,在晶化溫度以下熱處理時,組織結構變化不明顯,只發(fā)生結構弛豫,故鍍層硬度上升緩慢,其磨損過程與鍍態(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 熱處理溫度對復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復合鍍層的磨損形貌。當熱處理溫度為350℃時,復合鍍層已轉變?yōu)橛杉毿【Я＝M成的晶態(tài)結構,硬度顯著提高,此時的磨損量最低,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,說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鍍層的磨損,同時粒子本身也會對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增大,在磨損過程中局部高應力的作用下,硬脆相易斷裂而導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 結論

(1)在Ni2P2ZrO2復合鍍層中,納米ZrO2粒子的存在不影響鍍層基質的非晶態(tài)結構。

(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。

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

上述結果表明,當非晶態(tài)Ni2P2ZrO2復合鍍層經(jīng)熱處理轉變?yōu)榫B(tài)結構后,其磨損機制已由黏著磨損轉變?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復合鍍層在350℃熱處理溫度下已轉變?yōu)榫B(tài)結構,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材料科學與工程學院(510640), E2mail:qyxu@scut.edu.cn