化学沉积镍磷镀层微动磨损特性研究

金󰀁属󰀁热󰀁处󰀁理󰀁学󰀁报

TRANSACTIONSOFMETALHEATTREATMENT

Vol.19󰀁No.3September1998

化学沉积镍磷镀层微动磨损特性研究

黄根良

(江苏理工大学)

摘󰀁要󰀁对低合金钢基体化学沉积镍磷镀层的微动磨损特性进行了研究。根据摩擦系数、磨损量的变化规律和磨损表面形貌特征,讨论了镀层微动磨损机理及热处理对微动磨损性能的影响。室温、大气条件下的试验结果表明:热处理只影响磨损的程度,不能改变磨损的机理;镀层厚度25󰀁m,经350󰀂 2h回火,可具有较好的耐微动磨损性能。关键词󰀁化学镀镍层󰀁热处理󰀁微动磨损

化学沉积镍磷镀层具有优良的耐磨和耐蚀性能在工程上已广泛应用。国内外对化学沉积镍磷镀层的磨损性能开展了许多研究[1~3],但对其微动磨损的特性研究相对较少[4,5]。工程中有些构件,如轴颈、锥套、阀杆等常采用化学镀镍磷工艺处理,以提高它们的耐磨抗蚀性能。它们在工作时往往伴随微动磨损,并常因此而失效。所以研究镍磷镀层的微动磨损特性是很有意义的。本文根据微动磨损后的表面形貌,结合摩擦系数和磨损量的变化,分析化学沉积镍磷镀层微动磨损的机理及热处理对微动磨损性能的影响。

1󰀁试验材料和方法

1󰀁1󰀁试验材料

基体材料采用低合金钢,成分(󰀂,%):C0.40,Ni1.5,Cr1.8,Mo0.3。试样经化学镀镍磷,镀层含磷量(󰀂)8.8%~9󰀁6%,镀层厚度分25󰀁m和40󰀁m两种。

试样形状如图1所示。所有试样都预先经过淬火回火处理,硬度320HV。镀后上试样表面不经任何处理,部分下试样在保护气氛下回火,温度分别为200、350和400󰀂,时间均为2h。1󰀁2󰀁试验设备

微动磨损试验台如图2所示。借助安置在振动轴上的应变片,用高灵敏度应变测量仪连续测定摩擦力的变化。接触载荷2󰀁7N,振动频率50Hz,振动幅度分别为20󰀁m和40󰀁m。磨损结束后,立即在扫描电镜下观察磨痕形貌。

2󰀁试验结果和讨论

2󰀁1󰀁显微硬度及摩擦系数

镀层的硬度和部分摩擦系数测定值见表1和图3。

本文收到日期:1997年9月22日初稿,1998年6月29日修改稿

本文联系人:黄根良,男,1946年12月生,副教授,江苏省镇江市(212013)江苏理工大学材料工程系

第3期黄根良:化学沉积镍磷镀层微动磨损特性研究

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图1󰀁试样形状及尺寸

Fig.1󰀁Theshapeandsizeofthesamples

表1󰀁试样在不同状态下的显微硬度

Table1󰀁Microhardnessofspecimensatdifferentstates

回火温度/󰀂

状态

镀态

200

硬度(HV0󰀁05)

508

710

350900

400992

2󰀁2󰀁磨损量

镀层厚25󰀁m时的部分磨损量数据见表2。

图2󰀁试验设备简图󰀁Fig.2󰀁Theschematicofthetest

equipment

表2󰀁不同状态镀层的磨损量(mm3 10-6)

Table2󰀁Thewearvalueofthecoatingsatdifferentconditions

试样状态镀态200󰀂回火350󰀂回火400󰀂回火

1040󰀁430󰀁320󰀁210󰀁28

振幅20󰀁m、循环次数N

1051󰀁621󰀁180󰀁861󰀁20

1066󰀁875󰀁684󰀁305󰀁08

1041󰀁141󰀁110󰀁840󰀁98

振幅40󰀁m、循环次数N

1053󰀁032󰀁851󰀁922󰀁76

1069󰀁188󰀁036󰀁906󰀁90

图3󰀁部分摩擦系数变化曲线

Fig.3󰀁Somevaryingcurvesoffrictioncoefficient

(a)as󰀂depositedstate,(b)depositedandtemperedat350󰀂for2h

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金󰀁属󰀁热󰀁处󰀁理󰀁学󰀁报第19卷

2󰀁3󰀁分析与讨论

从图3可知,镀层经热处理后,初始阶段摩擦系数较低,这是因为磨损初期受粘着的影响。热处理后由于硬度提高使粘着磨损大大降低。循环次数超过10,镀态及回火态摩擦系数接近,是因为此时粘着已不起重要作用。在同一热处理状态下,一般是振幅大时摩擦系数低。这可能与磨损产物的氧化程度有关[6]。此阶段确定了镀层摩擦部位的表面形貌,而这一形貌将保持相当长的时间,并强烈影响进一步的磨损过程,对整个微动磨损过程极为重要。图4所示为经过相同的循环次数后的磨损形貌。

4

图4󰀁磨痕形貌(循环次数5 104)Fig.4󰀁Wearmorphology(cyclenumbers5 104)

a)as󰀂depositedstate,b)depositedandtemperedat350󰀂for2h,c)depositedandtemperedat200󰀂for2h

从图4可以看出,未经热处理的样品磨穴内有大量磨损碎屑,并大部分堆积在边缘处。经200󰀂热处理的试样,磨穴内也有少量磨损碎屑,但分布在穴内。经350󰀂热处理的试样,磨穴内几乎没有碎屑,但整个接触区颜色变暗。这充分说明磨损初期粘着的重要性[7]。

微动磨损碎屑的形成,与一般滑动磨损相同,也可分为塑性变形累积、裂纹形核和裂纹扩展三个阶段。微动磨损时,接触表面下方一定深度处交替承受拉!压循环应力[8]。随着微动磨损的进行,由应力而产生的塑性变形不断累积,近表面的塑性变形导致晶粒尺寸范围内的微

裂纹[9]。图5显示了镀层亚表面内的塑性变形及由此而形成的微裂纹源。摩擦系数越大,交变应力越靠近表面。未经热处理的试样在磨损初期交变应力离表面近,易形成浅层剥落。经热处理后,摩擦系数较低,交变应力位于表面以下稍深处,故初期不易剥落。当循环次数足够大,累积塑性变形达到一定程度时产生微裂纹。部分微裂纹会穿透到表面,造成薄层剥落(见图6)。这种微动磨损的破坏机制,无论是否经过热处理,都是相同的,只是程度有差别。

图5󰀁镀层亚表面内的塑性变形Fig.5󰀁Theplasticdeformationbeneath

镍磷镀层经热处理后,磷原子聚集沉淀并扩散到(111)晶面上。若聚集镍第3期黄根良:化学沉积镍磷镀层微动磨损特性研究

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图6󰀁高循环次数后的表面形貌(循环次数3󰀁8 106)

Fig.6󰀁Thesurfacemorphologyafterhighcycles(cyclenumbers3.8 106)

a)as󰀂depositedstate,b)depositedandtemperedat350󰀂for2h,c)depositedandtemperedat200󰀂for2h

磷原子配比达到3∀1,将析出细小的高硬度Ni3P,镀层由非晶态逐渐向晶态转变。经350󰀂 2h回火,即可基本完成晶化,最终组织为Ni3P+Ni。回火温度较低时,晶化不完全,Ni3P含量低且尺寸微小,Ni晶体与Ni3P基体共格,因此微裂纹不易形成。但裂纹一旦形成,则扩展阻力反而较小。随着回火温度的提高,Ni3P含量提高,共格关系逐渐破坏,形成微裂纹的可能性增加。但由于析出的硬质相增多,裂纹扩展阻力变大。若在晶化基本完成后继续提高回火温度,析出相晶粒粗化,硬度下降,裂纹扩展阻力降低。文献[11]指出,细而分散的半共格的镀层,具有良好的耐磨性。

由此可解释在350󰀂回火耐微动磨损性能优良的原因。

镀层亚表层内的微裂纹形成后,在拉!压交变应力的作用下,平行于表面的裂纹较易传播[12]。图7所示为亚表层内的平行裂纹。镍磷镀层是一种过饱和的镍!磷固溶体,点阵畸变,表面存在高密度层错,扩展位错束集困难,交滑移难以进行。只有在较大的应变条件下才能发生交滑移[13]。故镍磷镀层在镀态即有较好的微动磨损性能。镀层经热处理后,析出Ni3P晶体,层错密度提高,交滑移更难进行,表现为需要更多的应力循环来累积应变,促使裂纹扩展。热处理温度过高,由于析出晶粒粗化,亚晶界消失,层错密度不能进一步增加,这可能是在某一温度具有最大的阻止裂纹扩展能力的原因。应该指出,层错(位错)对微动磨损的作用相当复杂,这个问题有待进一步探讨。

另外,镀层经过热处理,使之与基体间发生原子扩散过程,从而使镀层与基体的结合强度有所提高,这对于提高镀层的耐微动磨损性能也有相当作用[14]。

[10]

图7󰀁镀层表面下的平行裂纹

Fig.7󰀁Theparallelcracksbeneaththesurface

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金󰀁属󰀁热󰀁处󰀁理󰀁学󰀁报第19卷

3󰀁结󰀁论

磨损初期的粘着作用及因此形成的接触区形貌对整个微动磨损过程有重大影响。热处理能明显改善化学沉积镍磷镀层的耐微动磨损性能,但并不改变磨损机理。在较低温度回火,对整个微动磨损过程起控制作用的是裂纹扩展阶段;在较高温度回火后裂纹形核起控制作用。在350󰀂回火2h,镀层具有最好的抗微动磨损性能。

参

考

文

献

1󰀁徐佐仁󰀁化学沉积镍磷合金表面强化的研究󰀁机械工程材料,1986(6):1.

2󰀁邓宗钢等󰀁磷含量和热处理对化学沉积镍磷合金耐磨性的影响󰀁摩擦磨损,1985(5):20.

3󰀁MatthwP.Szolwinski,ThomasN.Farris.Mechanicsoffrettingfatiguecrackformation.Wear,1996,198(1,2):93.4󰀁HarrisSJ.MpOvers,GouldAJ.Theuseofcoatingstocontrolfrettingwearatambientandelevatedtemperature.

Wear,1985,106:35.

5󰀁黄根良󰀁化学镍磷镀层微动磨损力学分析及应用󰀁江苏理工大学学报,1996(5):67.6󰀁李诗卓,董祥林󰀁材料的冲蚀磨损与微动磨损󰀁北京:机械工业出版社,1987,314.7󰀁BerthierY,etal.Frettingfatigueandfrettingwear.TribolInt,19,22(1):235.

8󰀁黄炎󰀁局部应力及其应用󰀁北京:机械工业出版社,1986,113.9󰀁AlicJA,etal.Formationoffrettingfatiguecracksin7075󰀂T7351aluminumalloy.Wear,1988,126:131.10󰀁吴玉程等󰀁镍磷合金镀层表面强化性能的获得󰀁表面技术,1991(2):6.11󰀁邵荷生等󰀁摩擦与磨损󰀁北京:煤炭工业出版社,1992,247.

12󰀁EA马尔钦柯著󰀁金属表面摩擦破坏实质󰀁何世禹译󰀁北京:国防工业出版社,1990:111.

13󰀁OlofVingsbo,etal.Evaluationoffrettingdamageofzircalogcladdingtubes.TribolInt,1996,118(4):705.

14󰀁CartonJF,etal.Aninvestigationofthefrettingbehaviouroflowfrictioncoatingsonsteel.TribolInt,1996,29(6):

445.

TheResearchontheFrettingWearCharacteristicsof

theElectrolessNickleDeposits

HuangGenliang

(JiangsuUniversityofScienceandTechnology,Zhenjiang212013)

ABSTRACT󰀁Thefrettingwearcharacteristicsoftheelectrolessnickledepositsbasedonalowal󰀂loysteelsubstratehavebeenstudied.Accordingtotheanalysisonthefrictioncoefficient,wearvolumeandwearmorphologythemechanismofthefrettingwearandtheinfluencesoftheheattreatmentonthefrettingwearwereanalysed.Theresultsofthetestscarriedoutattheambienttemperatureintheairindicatedthatthedepositsundergoneheattreatmentat350󰀂fortwohourswouldonlyaffectthelevelofwear,notthewearmechanism,andwouldimprovethefrettingwearproperties.

KEYWORDS󰀁electrolessnickledeposits,󰀁heattreatment,󰀁frettingwear