退火對(duì)化學(xué)鍍N i-W-P鍍層硬度的影響

李莎 （陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，陜西 咸陽 712000)

卞建勝 (山東中煙工業(yè)有限責(zé)任公司濟(jì)南卷煙廠，山東 濟(jì)南 250353）

由于化學(xué)鍍Ni-P合金具有優(yōu)良的耐蝕、耐磨性及高硬度而得到廣泛應(yīng)用[1-2]，尤其是經(jīng)過適當(dāng)熱處理之后，Ni-P鍍層因Ni和Ni3P的析出而獲得強(qiáng)化，但當(dāng)溫度過高不僅影響Ni3P的析出，而且往往由于晶粒粗化造成鍍層硬度降低，為了提高二元Ni-P合金鍍層的熱穩(wěn)定性，通常往Ni-P鍍層中加入Zn、Cu、Cr、W等第三種元素得到Ni-P基的三元合金鍍層，這些元素的加入能有效的抑制Ni3P的析出。據(jù)報(bào)道，與二元合金鍍層相比，三元的Ni-P-W和Ni-P-Cr鍍層在較高溫度下不僅熱穩(wěn)定性好而且硬度高［3-4］。本文主要研究退火對(duì)化學(xué)鍍Ni-W-P鍍層硬度的影響。

1 試驗(yàn)方法

1.1 試樣的制備

使用式樣尺寸為25 mm×11mm×1mm，材料為Q235，先除油和除銹，之后進(jìn)行化學(xué)鍍，共施鍍2h，中間補(bǔ)充一次鍍液以保證鍍液中的有效成分和鍍層的有效厚度，完成后取出，用清水洗干凈，烘干。對(duì)試樣進(jìn)行編號(hào)，分別對(duì)鍍層在200、300、400、500、600和700℃溫度下保溫一小時(shí)，隨爐冷卻。

1.2 試樣分析及測量

采用能譜分析儀分析鍍層表面成分，采用EVO50衍射儀對(duì)鍍層進(jìn)行X射線檢測，對(duì)檢測結(jié)果通過Jade軟件通過擬合后進(jìn)行物相檢索，分別確定Ni相在(111)和(200)及Ni3P相(231)和(141)的衍射峰，然后分別查看Ni相和Ni3P相各衍射峰的晶粒尺寸，求出各相晶粒在不同晶面上的晶粒尺寸的平均值。同時(shí)根據(jù)X射線的半高寬、積分強(qiáng)度和寬度等參數(shù)計(jì)算熱處理前后各鍍層的晶格應(yīng)變和晶化程度。

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

能譜分析出鍍層中W和P的含量分別為3.88%、13.36%，其中磷的含量大于7%，為非晶態(tài)[5]。

2.1 鍍層的晶化程度

從圖中可以看出，鍍態(tài)鍍層只在q=45°左右Ni的（111）面上有一個(gè)饅頭峰，為典型的非晶峰，與能譜分析的結(jié)果相一致；鍍層經(jīng)200和300℃退火之后，饅頭峰逐漸變得窄而銳，表明鍍層在Ni的晶面上已經(jīng)開始晶化；退火溫度為400℃時(shí)，不僅Ni相在（200）（220）面上開始析出，而且鍍層中開始有Ni3P相在（231）（141）（312）（330）（301）（222）等面上析出，表明溫度為400℃時(shí)，鍍層中除了非晶態(tài)Ni進(jìn)一步晶化外，還發(fā)生了Ni3P的晶化反應(yīng)；之后隨退火溫度的進(jìn)一步升高，鍍層中Ni和Ni3P相各峰進(jìn)一步銳化，表明各相的晶化程度進(jìn)一步增加。

圖1 鍍層的XRD圖譜Fig.1 XRD patterns of the coatings

2.2 鍍層各相晶粒尺寸和微應(yīng)變

由于鍍態(tài)鍍層為非晶態(tài)，所以鍍層中Ni相晶粒尺寸均可看成是一維無序的密堆小片，其平均值約為6-12?[6]；退火溫度為300℃時(shí)鍍層中Ni相晶粒尺寸為11.1nm；400℃退火時(shí)，鍍層中開始有Ni3P相析出，且其晶粒尺寸就為33.4nm，大于此退火溫度下Ni相的晶粒尺寸（28.2nm），這可能是此溫度下的自由能剛好滿足Ni3P析出所需能量，所以Ni3P相晶粒長速較快；之后隨著退火溫度的升高，鍍層中Ni相和Ni3P相的晶粒尺寸隨晶化程度的增大進(jìn)一步長大，在400℃和500℃時(shí)Ni3P相的晶粒尺寸均大于Ni相，恰好說明Ni3P相長大所需的激活能大于Ni相，因此500-700℃高溫時(shí)，Ni相的晶粒尺寸會(huì)反過來大于Ni3P相的尺寸，但在整個(gè)退火過程中，鍍層各相的晶粒尺寸均保持在納米范圍內(nèi)。

鍍態(tài)鍍層的微應(yīng)變最大，是因?yàn)閃和P溶于Ni相的晶格中，形成嚴(yán)重的晶格畸變，之后隨退火溫度的生高，底層中不斷有Ni相析出，晶格畸變程度降低，所以微應(yīng)變?cè)?00～300℃下降最快，同時(shí)鍍層經(jīng)低溫退火產(chǎn)生結(jié)構(gòu)弛豫現(xiàn)象也是微應(yīng)變下降較快的另一原因，之后隨溫度的升高，鍍層進(jìn)一步晶化，微應(yīng)變逐漸下降，在700℃時(shí)最小。

圖2 鍍層的晶粒尺寸和微應(yīng)變Fig.2 The grain size and microstrain

2.3 鍍層硬度

圖5 鍍層硬度Fig.5 Hardness of coatings

圖中顯示，鍍態(tài)鍍層硬度最小，主要是受晶格應(yīng)變影響；200～300℃由于Ni相的析出，鍍層微應(yīng)變減小，鍍層硬度有所提高，同時(shí)此溫度下磷原子易在鎳的特定晶面上聚集，為適應(yīng)鎳的結(jié)構(gòu)而形成共格關(guān)系，能進(jìn)一步提高鍍層的硬度；400-500℃之間時(shí)，鍍層硬度升高較明顯，主要是因?yàn)镹i3P相的析出破壞了Ni與P的共格關(guān)系，卻與固溶體形成共格關(guān)系，引起共格沉淀硬化而使得鍍層硬度增加[7]，且Ni3P相能阻礙晶體內(nèi)缺陷的移動(dòng)，起到第二相強(qiáng)化的作用，而500℃時(shí)鍍層的硬度高于400℃則與其晶化程度及晶粒尺寸因素有關(guān)；500℃之后鍍層硬度開始下降，住要是因?yàn)镹i和Ni3P兩相的晶粒尺寸迅速長大造成的不利影響，且Ni3P相的固溶強(qiáng)化作用和共格沉淀作用減弱[7]也是影響致鍍層硬度在高溫下下降的重要原因。

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[7]于光.化學(xué)鍍（Ni-P）-MoS復(fù)合鍍層的工藝及鍍層性能[J].表面技術(shù),1996,25(4):12-14.