熱處理對Ni - P/WS2復合鍍層硬度及自潤滑性能的影響

趙金國 ，肖傳軍，喬 勛，閻治安

(1. 西京學院 a. 機電技術系，b. 機械工程學院，陜西 西安 710123; 2. 西安交通大學電氣工程學院，陜西 西安 710049)

0 前 言

工件表面是機器中最脆弱的部分，工件表面引發(fā)的磨損、腐蝕、疲勞等缺陷容易導致零部件失效[1]，在工件表面涂覆涂層是一種有效提高零部件表面強度的方法。電鍍、等離子熱噴涂、化學共沉淀等技術已應用于制備工件防護涂層[2]。在這些技術中，化學共沉淀因成本低及制備溫度低而被廣泛關注。化學共沉淀是一種利用聚合物、金屬或非金屬顆粒與金屬共沉淀，獲得耐腐蝕性好、硬度高和耐磨性好的保護涂層的方法，鍍層性能與共沉淀顆粒的性能密切相關[3-6]。Ni - P沉淀鍍層是一種技術成熟的鍍層技術，可代替成本高昂的硬質(zhì)合金[7,8]。

在Ni - P鍍層中加入顆粒形成復合鍍層，是提高鍍層力學性能、耐腐蝕性和潤滑性能的有效方法。文獻中報道了各種復合鍍層，如Ni - P - Al2O3、Ni - P - SiC、Ni - P - SiO2、Ni - P - B4C等[9-12]，這些復合鍍層有利于提高材料表面的力學性能和耐腐蝕性。此外，復合鍍層Ni - P - PTFE和Ni - P - MoS2涂層具有自潤滑性能[13，14]，目前對材料表面自潤滑性能的相關研究相對較少。

本工作對Q235鋼表面實施化學共沉淀，并對鍍層進行了熱處理，分析了鍍液中WS2含量及鍍層熱處理對Ni - P/ WS2復合鍍層自潤滑性能的影響。

1 試 樣

1.1 試樣制備

基材為Q235鋼板，用細砂紙打磨后，將基材浸于1 mol/L的NaOH溶液中浸泡2 min去油后用去離子水清洗，然后浸于1 mol/L的HCl溶液中酸洗1 min，對基材進行活化，再以去離子水清洗后用無水乙醇清洗并烘干。

利用化學共沉淀法制備出 Ni - P/WS2復合鍍層，將鍍層沉淀于處理過的Q235鋼表面。Ni - P鍍液成分(g/L)如下：NiSO4·6H2O 200.00，NiCl2·6H2O 20.00，NaH2PO2·H2O 35.00，H3BO330.00，C6H8O760.00，C12H25SO4Na 0.10，CH4N2S 0.01，表面活性劑CO - 890 0.03。在鍍液中加入平均粒徑(0.80±0.05) μm的WS2顆粒制成化學共沉淀鍍液。WS2顆粒加入量分別為2.5，5.0，7.5 g/L，利用氨水或20%硫酸溶液調(diào)整鍍液的pH值，使pH值在85 ℃下達到4.6±2.0。

利用磁力攪拌增加鍍液顆粒懸浮性，鍍液溫度為70 ℃，沉淀時長為2 h。然后將試樣放入充滿氬氣的加熱爐中加熱至400 ℃保溫1 h后，隨爐冷卻至室溫。

1.2 檢測分析

采用JXA - 8200型電子探針顯微分析儀(EPMA)測量鍍層中P的含量變化。采用D2 PHASER型X射線衍射儀(XRD)測量鍍層物相構(gòu)成，掃描速率為0.1 (°)/s，掃描范圍為20°～80°，Cu靶，30 kV，10 mA。在自制的往復式磨損試驗機上進行干摩擦試驗，鍍層的對磨體為碳化鎢球，施加載荷10 N，最大滑動速度32 mm/s，總磨損距離為115 m。利用HSX - 100型維氏硬度儀測量鍍層表面硬度，載荷為1 N、下壓時間10 s。采用JSM - 5600型掃描電鏡(SEM)觀察鍍層表面顯微形貌。

2 結(jié)果與討論

2.1 復合鍍層中P元素含量

圖1為Ni - P/WS2復合鍍層中P含量三維曲面?？梢婋S著鍍液中WS2濃度增加，鍍層中P含量緩慢減少，鍍層中P含量處于8.695%～11.923%之間。而鍍液中P含量隨著表面活性劑濃度增加呈先增后減的趨勢，但影響不大。

圖1 Ni - P/WS2復合鍍層中P含量Fig. 1 P Content in Ni - P/WS2 composite coating

Hou等[15]也得到相同結(jié)果，不會因鍍液中增加微粒及表面活性劑濃度而大幅改變鍍層中P含量，顯示鍍液系統(tǒng)較為穩(wěn)定，鍍液中WS2含量2.5 g/L時，鍍層中P含量到達最高，其值為11.923%，Keong等[16]將此P含量定為中磷含量鍍層。P含量直接影響著Ni3P的析出，對熱處理后鍍層硬度影響較大。

2.2 復合鍍層物相

圖2為WS2顆粒與Ni - P/WS2復合鍍層的XRD譜。Ni - P/WS2復合鍍層中含有非晶態(tài)Ni - P相和六方晶WS2相，表明WS2顆粒已經(jīng)與Ni - P共沉淀于復合鍍層中。經(jīng)400 ℃熱處理后的Ni - P/WS2鍍層，Ni - P相由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方的Ni3P,熱處理后的鍍層中同時存在WS2相和Ni3P相。因Ni - P/WS2復合鍍層中的Ni - P 合金處于亞穩(wěn)狀態(tài)，在熱處理過程中會轉(zhuǎn)變?yōu)槊嫘牧⒎降腘i 和體心立方的Ni3P。400 ℃熱處理使非晶態(tài)的Ni - P消失，最后析出了晶態(tài)的Ni3P。體心立方的硬質(zhì)相 Ni3P 的析出可以有效提高鍍層的顯微硬度，進而使鍍層即具有良好的潤滑性又具有較大硬度。

圖2 Ni - P/WS2復合鍍層的XRD譜Fig. 2 XRD pattern of Ni - P/WS2 composite coating

2.3 鍍層硬度及摩擦系數(shù)

圖3為Ni - P/WS2復合鍍層表面平均摩擦系數(shù)柱狀圖。由圖可見隨鍍液中WS2微粒含量從2.5 g/L增大到7.5 g/L，未經(jīng)熱處理的鍍層摩擦系數(shù)由0.36減小至0.28，經(jīng)熱處理的鍍層摩擦系數(shù)由0.28減小至0.25，應是鍍液中WS2微粒含量增大促使復合鍍層表面上的WS2微粒含量增大，因WS2具有潤滑作用而使鍍層呈現(xiàn)較小的摩擦系數(shù)，而含WS2少的鍍層上WS2層容易被磨穿，起到的潤滑作用有限。

圖3 Ni - P/WS2復合鍍層表面平均摩擦系數(shù)Fig. 3 Average friction coefficient of Ni - P/WS2 composite coating surface

熱處理使得鍍層的摩擦系數(shù)最小值由0.28降低到0.25。應該是熱處理使體心立方Ni3P析出從而提高了鍍層的硬度，增加了表面對WS2顆粒的支撐作用，有利于增加鍍層表面的自潤滑。磨損過程中WS2微粒在剪切力和擠壓力共同作用下沿滑移軌道鋪開，填補了熱處理后的高硬度鍍層滑移軌跡處的凹坑，使摩擦平穩(wěn)。

Ni - P/WS2鍍層表面硬度如圖4所示。未經(jīng)熱處理和經(jīng)熱處理的復合鍍層硬度均隨著WS2含量增大而減小，WS2含量由2.5 g/L增大到7.5 g/L時復合鍍層硬度減小110～152 HV1 N。應是因六方結(jié)構(gòu)的WS2微粒容易發(fā)生塑性變形，而且容易聚集到鍍層表面，使鍍層整體硬度下降。熱處理使鍍層平均硬度值上升318～360 HV1 N，應是在鍍層中析出了硬度較大的體心立方Ni3P的緣故。

圖4 Ni - P/WS2復合鍍層表面硬度Fig. 4 Hardness of Ni - P/WS2 composite coating surface

2.4 復合鍍層磨損表面顯微形貌

圖5為復合鍍層的磨損表面SEM形貌。由圖5a可知：因WS2微粒在未熱處理Ni - P/WS2- 2.5鍍層中含量低，磨損時產(chǎn)生大量受碾壓的碎片黏著于鍍層表面，黏著磨損最嚴重，摩擦面有洼坑及材料的剝離；Ni - P/WS2- 2.5+熱處理復合鍍層磨損后開裂嚴重并導致材料剝離，應是400 ℃熱處理后，因鍍層中Ni3P析出，使鍍層硬度提升，因鍍層硬度提升使得磨損期間產(chǎn)生脆化現(xiàn)象，再加上因WS2含量少導致摩擦系數(shù)較高，從而容易使鍍層開裂并剝離。

圖5b為Ni - P/WS2- 5.0復合鍍層的磨損表面顯微形貌。未熱處理Ni - P/WS2- 5.0復合鍍層雖然表面有碎片黏著，但黏著程度小于2.5 g/L WS2的鍍層表面，表明六方結(jié)構(gòu)的WS2對鍍層表面起到了潤滑作用；Ni - P/WS2- 5.0+熱處理復合鍍層的磨損表面在磨損過程受壓嚴重而出現(xiàn)裂紋，但鍍層表面未出現(xiàn)嚴重剝離。

圖5c為Ni - P/WS2- 7.5復合鍍層的磨損表面顯微形貌。未熱處理的Ni - P/WS2- 7.5鍍層的磨損表面無黏著碎片，只發(fā)現(xiàn)比較輕微的刮痕。其磨損區(qū)域之顯微組織圖片發(fā)現(xiàn)試件摩擦面黏著磨損情況較輕微其磨損表面顯得較為光滑平坦且無微裂紋，由此可知當制備鍍層參數(shù)之微粒含量達7.5 g/L時，所得的鍍層中WS2微粒起到了較佳的自潤滑性作用；Ni - P/WS2- 7.5+熱處理復合鍍層無開裂及剝離出現(xiàn)，只有輕微刮痕，磨損表面顯得較為光滑平坦，表明鍍層中WS2微粒并未因熱處理而分解，在滑動過程中于磨損界面間產(chǎn)生固態(tài)潤滑效果，所得的鍍層有較好的自潤滑性。

圖5 復合鍍層磨損表面SEM形貌Fig. 5 SEM morphology of wear surface of composite coating

3 結(jié) 論

(1)鍍液中P含量穩(wěn)定，受WS2顆粒濃度變化的影響不大，有利于在后續(xù)的熱處理中析出適量的體心立方Ni3P硬化相，從而有效提高復合鍍層表面的硬度。

(2)鍍層中WS2顆粒對鍍層表面起到潤滑作用，可減小鍍層表面摩擦系數(shù)，熱處理使得鍍層的摩擦系數(shù)最小值由0.28降低到0.25。熱處理可使鍍層中析出體心立方的Ni3P相，增加了表面對WS2顆粒的支撐作用，有利于增加鍍層表面的自潤滑，有效減小摩擦系數(shù)。