1前言

化學(xué)鍍Ni-P非晶態(tài)合金因其內(nèi)部無(wú)晶界造成的缺陷及成分偏析，故在鍍態(tài)時(shí)就具有高的硬度和優(yōu)異的力學(xué)、電學(xué)、耐蝕及耐磨等性能，在航空、電子、石油化工、儀表等行業(yè)具有廣泛的應(yīng)用。為進(jìn)一步提高Ni-P化學(xué)鍍層的性能，擴(kuò)展其應(yīng)用領(lǐng)域，研究人員在化學(xué)鍍的基礎(chǔ)上發(fā)展了化學(xué)復(fù)合鍍，Ni-P化學(xué)復(fù)合鍍是在化學(xué)鍍液中加入不溶性微粒，使之與鎳磷合金共沉積獲得不同性能鍍層的一種工藝。常用的復(fù)合相有SiC、人造金剛石、氟化碳、聚四氟乙烯(PTFE)等彌散型Ni-P復(fù)合鍍層，主要用于改善Ni-P鍍層的耐磨減摩性能。SiC因具有高硬度、良好的耐磨性及耐蝕性而被優(yōu)選為第二相粒子來(lái)改善金屬鍍層及金屬基復(fù)合材料的性能[2-4]。有關(guān)Ni-P-SiC化學(xué)復(fù)合鍍工藝和耐磨性能的研究已有報(bào)道[5-11]。有關(guān)配副材料對(duì)Ni-P-SiC復(fù)合鍍層摩擦學(xué)性能的影響卻缺乏系統(tǒng)的研究。在研究材料的摩擦磨損性能時(shí)，要兼顧材料自身耐磨性能的提高及其與配副材料的匹配性。因此，摩擦副匹配

問(wèn)題一直是工業(yè)界普遍關(guān)注的問(wèn)題。

本文通過(guò)加入SiC顆粒來(lái)改善Ni-P鍍層的耐磨性，重點(diǎn)研究不同配副材料對(duì)Ni-P-SiC復(fù)合鍍層摩擦學(xué)性能的影響，分析了鍍層磨損的具體機(jī)理。對(duì)Ni-P鍍層和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層在工業(yè)生產(chǎn)中的合理應(yīng)用具有重要的指導(dǎo)意義。

2實(shí)驗(yàn)

2.1鍍層的制備

采用45鋼(15 mm×15 mm×5 mm)作基體，經(jīng)除油、酸洗和活化后進(jìn)行化學(xué)鍍，所得Ni-P-SiC復(fù)合鍍層、Ni-P鍍層的平均粗糙度R。分別為0.49 um和0.34 um，復(fù)合鍍層、Ni-P鍍層平均厚度為40 um和30 um。鍍液的主要組成和工藝條件為：Ni2S04-6H2025 g/L, NaH2P02-H20 30 g/L, CH3COONa 20 g/L，乳酸20 mL/L，丙酸10 mL/L，穩(wěn)定劑適量，SiC(平均粒徑約100 nm)2 g/L，pH 4.4～4.6，溫度80～85 0C，施鍍時(shí)間4h，輔以5～35 r/min的磁力攪拌以使SiC微粒充分懸浮。

2.2性能檢測(cè)

(1)形貌和組織結(jié)構(gòu)：采用日本JEOL公司的JSM-5600LV型掃描電鏡(SEM)對(duì)鍍層磨損前后的形貌進(jìn)行觀察，用美國(guó)Kevex公司的SIGMAM能譜儀(EDS)分析鍍層的元素組成，用日本Rigaku公司的D/max-2400型X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的微觀結(jié)構(gòu)和相組成。

(2)硬度：用上海恒以科技公司的MH-5-VM型顯微硬度儀測(cè)量鍍層的顯微硬度，載荷為50 g，保壓時(shí)間為5s。

(3)摩擦磨損性：采用美國(guó)CETR公司的UMT-2MT摩擦試驗(yàn)儀進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，配副分別使用=3 mm的GCr15鋼球和Si3N4陶瓷球，試驗(yàn)條件為：載荷2N，頻率10 Hz，測(cè)試時(shí)間30 min，往復(fù)距離5 mm。用哈爾濱量具刃具廠的2206型表面粗糙度測(cè)量?jī)x測(cè)量磨痕橫截面積，用輪廓計(jì)算鍍層的體積磨損率W[單位為mm3/(m.N)l，公式如下：

其中，AV為磨損的體積(mrri3)，，為滑動(dòng)距離(m)，F(xiàn)為載荷(N)。

3結(jié)果與討論

3.1表面形貌

圖1為Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的SEM圖。納米SiC微粒較均勻地分布于Ni-P非晶胞中，起到彌散強(qiáng)化的作用，但凸起在鍍層表面的SiC微粒使鍍層的表面粗糙度增大。

3.2顯微硬度

Ni-P鍍層和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的顯微硬度分別為569 HV和618 HV，說(shuō)明在鍍層中共沉積納米SiC微?？商岣逳i-P鍍層的顯微硬度，2種鍍層的顯微硬度明顯高于鋼基體(281 HV)。

3.3組織結(jié)構(gòu)

圖2是Ni-P和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的XRD圖譜。Ni—P鍍層為非晶態(tài)組織，在20=450附近為重疊寬化峰;復(fù)合鍍層中SiC微粒的存在不影響其非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

3.4摩擦磨損性能

表l列出了Ni-P鍍層和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果及相關(guān)數(shù)據(jù)。

以GCr15鋼球?yàn)榕涓睍r(shí)，Ni_P-SiC復(fù)合鍍層的體積磨損率比Ni-P鍍層小，這是因?yàn)閺?fù)合鍍層中的硬相SiC微粒起到防粘著和承載作用，使鍍層耐磨性提高;以Si3N4陶瓷球?yàn)榕涓睍r(shí)，Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的體積磨損率與Ni-P鍍層相當(dāng)，但均比以GCr15鋼球?yàn)榕涓?/p>

時(shí)小1個(gè)數(shù)量級(jí)。配副材料的磨損率變化規(guī)律與鍍層類似，Si3N4球的體積磨損率比GCr15鋼球的小1個(gè)數(shù)量級(jí)。不同配副條件下的平均摩擦因’數(shù)基本一致，無(wú)明顯變化。以上結(jié)果表明，載荷為2N時(shí)，Ni-P鍍層和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層較適宜的摩擦副為陶瓷材料。

圖3是摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化曲線，從圖3a、3b可看出，當(dāng)Ni-P和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層與GCr15球?qū)δr(shí)，其摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化發(fā)生了較大的波動(dòng);從圖3c、3d可看出，當(dāng)Ni-P和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層與Si3N4球?qū)δr(shí)，摩擦因數(shù)隨滑動(dòng)時(shí)間的變化較平緩，無(wú)太大的波動(dòng)。這表明配副材料不同時(shí)，可能伴隨的主要磨損機(jī)理也不同。

圖4是Ni-P和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層磨損以后的SEM形貌。以GCr15為配副(見圖4a～4d)時(shí)，Ni-P和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的磨損形貌相似，呈現(xiàn)出大面積的撕裂脫落坑，發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形和破壞性的粘著磨損。復(fù)合鍍層中彌散分布的納米SiC微粒起阻礙塑性變形與抗粘著轉(zhuǎn)移的作用，但隨摩擦磨損的進(jìn)行，凸起在復(fù)合鍍層表面的部分SiC微粒由于刮擦而脫離表面，使復(fù)合鍍層中Ni-P基體與GCr15鋼球的直接接觸面積增大，降低了復(fù)合鍍層的抗粘著磨損和承載能力，且由于Fe與Ni的互溶性，復(fù)合鍍層將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的粘著磨損。因此，SiC微粒的存在可在一定程度上降低復(fù)合鍍層的粘著磨損，但效果不明顯。

以Si3N4(見圖4e～4h)陶瓷球?yàn)榕涓睍r(shí)，鍍層表面只有較輕微的刮擦，沒有明顯的塑性變形。由于硬質(zhì)陶瓷球表面粗糙峰的微切削作用，Ni-P鍍層的磨損表面呈明顯的犁溝狀，沒有嚴(yán)重的塑性流動(dòng)和粘著磨損。Ni-P-SiC復(fù)合鍍層與陶瓷球?qū)δr(shí)，磨損表面平整光滑，沒有明顯的粘著磨損破壞，僅有少量在表面凸起的SiC顆粒被刮擦脫出的痕跡，而嵌入到Ni-P基體中的SiC顆粒具有很好的承載作用，從而有效地降低了配副對(duì)復(fù)合鍍層的犁溝效應(yīng)，類似的研究結(jié)果已有報(bào)道。

圖5為Ni-P和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層磨損后對(duì)應(yīng)的EDS圖。

以GCr15為配副時(shí)，鍍層的磨損表面有不太明顯的Fe元素峰存在，說(shuō)明鍍層的局部與配副GCr15鋼球發(fā)生嚴(yán)重的粘著磨損而被磨穿，或由于與配副材料之間粘著而發(fā)生了材料的相互轉(zhuǎn)移;以Si3N4陶瓷球?yàn)榕涓睍r(shí)，磨損后的鍍層表面仍以鍍層元素為主，說(shuō)明鍍層表面整體上沒有被完全磨穿。

綜合以上分析可知，Ni-P和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層以GCr15球?yàn)榕涓睍r(shí)，由于Ni、Fe的金屬性能較接近且彼此互溶，以粘著磨損為主，在摩擦過(guò)程中伴有材料的轉(zhuǎn)移，類似的磨損機(jī)理已有報(bào)道[13-15]。當(dāng)鍍層中存在復(fù)合碳化物等硬顆粒時(shí)，復(fù)合粒子構(gòu)成主要接觸面，起承載和減少鍍層基體材料流動(dòng)的作用，從而使鍍層的粘著磨損降低。但當(dāng)復(fù)合粒子被拉出鍍層表面時(shí)，將造成進(jìn)一步的磨粒磨損。因此，選擇不相似的咬合材料為摩擦副有助于避免嚴(yán)重的粘著磨損。以Si3N4為配副時(shí)，Ni-P鍍層和Ni-P-SC復(fù)合鍍層均未發(fā)生破壞性的粘著磨損，主要以輕微犁溝磨損為主。

4結(jié)論

(1)用化學(xué)復(fù)合鍍技術(shù)制得含SiC微粒的Ni-P-SiC復(fù)合鍍層。納米SiC微粒的存在使鍍層的硬度提高，Ni-P鍍層的非晶態(tài)無(wú)定型結(jié)構(gòu)未受影響。

(2)摩擦磨損試驗(yàn)中，配副材料不同時(shí)，鍍層的磨損程度也有所不同。以Si3N4陶瓷球?yàn)榕涓睍r(shí)，Ni-P鍍層和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的體積磨損率比以GCr15鋼球?yàn)榕涓睍r(shí)小1個(gè)數(shù)量級(jí);以GCr15鋼球?yàn)榕涓睍r(shí)，SiC微粒起防粘著和阻礙塑性變形的作用，鍍層耐磨性有所提高，但納米復(fù)合微粒所起的作用不顯著;配副材料的體積磨損率變化規(guī)律與鍍層一致。

(3)以GCr15鋼球?yàn)榕涓睍r(shí)，Ni-P鍍層和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的主要磨損機(jī)理均為粘著磨損，鍍層表面發(fā)生嚴(yán)重的塑性變形和粘著磨損，摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化不穩(wěn)定，波動(dòng)較大。以Si3N4陶瓷球?yàn)榕涓边M(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)后，Ni-P-SiC復(fù)合鍍層表面平整光滑，無(wú)明顯的磨損破壞和嚴(yán)重的塑性變形，而Ni-P鍍層表面呈現(xiàn)犁溝，其摩擦因數(shù)隨時(shí)間的變化相對(duì)穩(wěn)定，主要磨損機(jī)理為磨粒磨損。