提高发动机性能的复合化学镀研究.doc

发动机用铝合金化学复合镀研究邵红红 纪嘉明收稿日期：2001-03-13邵红红 南京理工大学材料科学与工程系在读博士生 江苏理工大学材料科学与工程学院副教授， 212013 镇江市纪嘉明 江苏理工大学材料科学与工程学院，讲师 【摘要】 论述了Ni-P-SiC化学复合镀表面技术应用于铝质发动机重要零部件上的优越性。借助扫描电镜、能谱仪、磨损机、显微硬度计等设备对复合镀层的表面状态、组织结构及性能进行综合分析。结果表明，随着镀液中SiC粒子添加量的增加，镀层中SiC的含量也不断增加。复合镀层中SiC粒子均匀分布于Ni-P合金基体。通过系列的工艺试验，找出了SiC的最佳添加量。同时对复合镀层的高硬度、高耐磨进行了分析说明。叙词： 发动机；化学复合镀；铝合金中图分类号：TG156.8 文献标识码：AStudy on Electroless Ni-P-SiC Composite Coatings of Improving Engine PropertySHAO Hong-hong JI Jia-ming(Jiangsu University of Science and Technology)AbstractThe superiority which composite coatings can be applied to important parts of the aluminum engine has been discussed. With scanning electromicroscope, spectrometer, wear test meter and microhardometer, the authors analyze synthetically the surface condition, microscopic structure and properties of the composite electroless coatings. The results show that with the increase in the quantity of SiC particles in bath, the SiC particles in the composite coating gradually increase and they are evenly distributed throughout the matrix of electroless Ni-P alloy. At the same time, the authors find out the best SiC additive quantity by a series of experiments and study the mechanism of the greater hardness and wear resistance of composite coating.Key words: engine; electroless composite coating;aluminum alloy前言汽车重量是直接影响燃油经济性的最大因素。除车身和汽车底盘外，发动机在汽车总重量中也占相当大的比例。铸铁传统上一直是最普通的发动机机体材料。近年来，已经开发了各种重量轻的铝合金材料，并已应用到汽车发动机机体和活塞的生产。在发动机各系统中，因摩擦而造成的损失占总功率的40%以上。这部分功率损失的一半以上是属于活塞、活塞环和气缸之间的摩擦损失1。所以从铸铁机体改成铝质机体，则要求表面工艺必须能克服铝材固有的性能缺陷。即提高铝合金表面硬度和耐磨性，以便降低摩擦损失，保证发动机所有配合件的耐用性。1 表面处理工艺的选择当前国内外就铝合金表面处理而言，最常用的主要有阳极氧化、电镀、气相沉积、电刷镀、热喷涂、化学镀等。阳极氧化工艺环境恶劣，且对表层硬度、耐磨性的提高远不如其它几种工艺。电镀由于其较高的工作效益，施镀范围广，受到了较大应用。但电镀最大的弱点就是均镀性能差，存有尖角效应，对形状复杂的零件或有深孔的零件，镀层厚度相差很大，甚至不能实现电镀。此外，电镀与阳极氧化一样，仅在表层发生物理化学反应，有明显的分界面，内应力较大，因而在外力的作用下极易剥落。且电镀污染严重。气相沉积等能明显提高铝合金表面的硬度、耐磨性、耐热性。但这类处理方法工艺成本高，需特殊的设备。化学镀是目前国内外发展最快的一种表面处理技术。它具有独特的物理、化学和机械性能。铝合金Ni-P化学镀后，硬度、耐磨性高，摩擦系数低。且能提高燃料燃烧时的耐腐蚀性。此外，化学镀镍工艺设备简单，无毒无污染。不需要电源。尤其对几何形状复杂的镀件，能获得厚度均匀的镀层。基于化学镀具有良好的工艺性能和使用性能，因此，为了进一步改善镀层的物理和化学性能，本文在化学镀的基础上，加入细小的SiC颗粒与其共同沉积，使镀层强化性能更加优异。2 化学复合镀工艺研究本文进行的复合镀是在Ni-P化学镀液中加入SiC粒子（小于2.5m），探讨SiC粒子的加入量与沉积速度的规律，找出SiC粒子的最佳加入量，以及SiC粒子的存在对镀层表面状态、硬度和耐磨性的影响。2.1 SiC加入量对沉积速度的影响样品材料为ZL104。镀液采用次亚磷酸钠为还原剂。在PH=4.6，加热90条件下，改变镀液中SiC粒子的添加量，机械搅拌进行施镀。结果见表1表1 SiC加入量与厚度的关系SiC加入量/gL-12468101214镀层厚度/m212019.121.82018.221.8沉积速度/mh-110.5109.510.9109.110.9施镀时间/h2222222 (a)SiC 8g/L (b) SiC 10g/L (c)SiC 12g/L (d) SiC 14g/L图1 不同SiC加入量时Ni-P- SiC复合镀层形貌（1000）从镀层横断面照片中可以明显看出，随着SiC加入量的增加，镀层中SiC粒子数也明显增加，其结果见图1。图中白色镀层中的黑色小颗粒为SiC。2.2 SiC加入量对镀层硬度的影响在镀态下，对上述施镀件进行侧向显微硬度测试，结果见表2表2 镀态下镀层的显微硬度值SiC加入量/gL-12468101214硬度/HV0.1566603633680739766782结果表明，随着SiC加入量的增加，镀态硬度也不断增加，但当SiC加入量超过12g/L时，显微硬度压痕边缘有些崩碎，说明SiC加入量过多时，镀层脆性增加。综合考虑表1、表2的结果，笔者认为10g/L的加入量为最佳的加入量。3 化学复合镀层的性能3.1镀层的硬度Ni-P镀层的晶体结构因磷含量的不同而有较大的变化，因而镀层特性也发生差异。有关资料2介绍，Ni-P镀层中P含量小于8%则其结构为晶态； P含量大于8%则为非晶态。虽然随着SiC含量的增加，镀层中P含量略有下降，但SiC粒子均匀分布并镶嵌在Ni-P合金基体中。即SiC粒子并未改变原先Ni-P合金镀层的组织结构。Ni-P-10%SiC复合镀层的表面形貌见图2，其磷和镍含量及相应的能谱图见图3。能谱分析表明，复合镀层的磷含量为8.352%。因此在镀态镀层是非晶态结构。通过加热处理，非晶态将向晶态转变，在镀层中生成Ni3P，从而使镀层硬化。Ni-P镀层及Ni-P-10%SiC复合镀层，在相同保温时间（2小时）的情况下，经不同温度加热处理的硬度见表3表3 热处理温度对镀层硬度的影响镀层种类250300350400450Ni-P-10%SiC9451127132612061132Ni-P78294010971190962元素 重量百分比% 原子百分比%Nik: 91.648 85.269P k: 8.352 14.731TOTAL: 100.000 100.000由此可见，两种镀层经加热处理后，硬度都随温度的升高而增大。复合镀层在350处理后硬度可达最大值（HV0.1 1326），Ni-P合金镀层则在400达最大值（HV0.1 1190）。在相同温度下，复合镀层的硬度高于Ni-P合金镀层。其原因是晶化转变时Ni3P的析出和SiC粒子的弥散硬化共同作用所致。当镀层达到最大值后，继续升高温度，Ni3P将聚集长大，晶化过程所引起的晶格畸变消失，从而导致镀层的硬度下降。图2 复合镀层表面形貌（500）图3复合镀层磷含量及能谱分析图3.2镀层的耐磨性磨损试验在MM-200上进行。磨擦副为环块式。施镀件为8mm8mm20mm的ZL104块状试样，GCr15经淬火加低温回火作为环状试样（硬度HRC61）。磨损试验是在20号机油润滑条件下进行的。转速400r/min,其试验流程为：预磨（载荷20kg;20min） 除油、清洗、烘干、称重 试验（20kg;1h） 除油、清洗、烘干、称重。磨损总时间为7小时。试验结果见表4。表4 不同表面镀层的磨损量耐磨性能Ni-P-10%SiC（350加热）Ni-P-10%SiC（400加热）Ni-P（300加热）Ni-P（350加热）Ni-P（400加热）总磨损量10-2/mg201167319300290磨损时间/h77777从试验数据中可以看出，复合镀层的耐磨性比Ni-P合金镀层的高得多。其次Ni-P合金镀层的耐磨性随着硬度的增加而提高。这一规律符合摩擦学原理，即材料的高硬度能有效地提高材料抗粘着和抗磨粒磨损的能力。但对复合镀层而言，并非在最高硬度时有最好的耐磨性。这一结果也说明了硬度是决定耐磨性的一个重要因素，但不是全部因素。复合镀层的硬度高于Ni-P合金镀层，所以它比Ni-P合金镀层耐磨性高。复合镀层在350时具有最高硬度，400时硬度下降。说明复合镀层基体中的P基本上以Ni3P的状态析出，并开始长大。此时SiC和镀层基体间的界面实际上就是SiC和Ni晶体之间的界面。这样磨损初期，镀层中突出的SiC颗粒将首先开始磨损，由于SiC具有极高的硬度，镀层体现了非常高的耐磨性。随着磨损的进行，SiC颗粒会被拉出，形成小的空洞而具备储油的功能。除此之外，据有关资料介绍3，Ni-P-SiC镀层经400处理后，镀层中还存在新相Ni3Si，它可改善镀层的韧性，并使镀层的抗拉强度成倍的提高。所以在润滑作用下，400时的复合镀层耐磨性比350时的要好。4 结论（1）Ni-P-SiC化学复合镀工艺可直接运用于铝质发动机的关键零部件上。（2）SiC加入量为10g/L时，复合镀层具有最佳的综合性能。（3）复合镀层在350时，具有最高的硬度；400时，耐磨