高磷Ni-P镀层的摩擦磨损性能.doc

文章编号：16717147(2006)050566-03化学镀高磷NiP镀层的摩擦磨损性能王政君， 赵永武(江南大学机械工程学院，江苏无锡214122)摘要：制备了一种高磷化学镀镍层并研究其表面形貌；讨论了其在不同温度热处理后的摩擦磨损性能，且与45钢进行了对比结果表明，NiP镀层的耐磨性明显优于45钢，且经500 热处理后硬度最高，耐磨性最好，可作为耐磨性镀层在此基础上对化学镀NiP镀层的摩擦磨损机理进行了初步探讨，认为200热处理后主要表现为粘着磨损，500 热处理后表现为磨料磨损和粘着磨损共存关键词：化学镀；高磷镀层；耐磨性中图分类号：TG17444 文献标识码：AStudy on the Frictional and W ear Properties of High_P ElectrolessNi-P CoatingWANG Zhengj un。 ZHAO YongWU。(School of Mechanical Engineering，Southern Yangtze University，W uxi 214122，China)Abstract：The research on the frictional and wear properties of highP electroless NiP coatings is presentedFirstly，the morphology of NiP coated surface are investigated by using scanningmicroscopeThen， the frictional coefficients and wear rates of NiP coated 45 steel which experiences different heattreatment temperatures are measured and compared with those of 45 steel without surface coating The results strongly indicate that the wear resistance of NiPcoated 45 steeliS much better than that of 45 steel without surface coatingThe results also show that the highest hardness and the best wear resistance of NiP coated 45 steel are obtained when it is heattreated at 500 Finally。the present research makes a preliminary exploration of the possible wear mechanisms of NiP coated steel samples It iS found that adhesive wear iS the dominant wear mechanism of NiP coating heattreated at 200 while both abrasive wear and adhesive wear coexist for NiP coating heattreated at 500 Key words：electroless plating；highP coating；wear resistance化学镀NiP镀层是应用非常广泛的功能性镀层，它具有优异的性能且均镀能力强，根据含磷量不同性能及应用范围有所不同高磷非晶态镀层由于具有很高的耐磨性，更优异的耐腐蚀性口。 和突出的非磁性能4，受到人们的广泛重视目前对镀层的耐蚀性和非磁性等物理性能研究较多，在提高镀层耐磨性研究上，人们对其工艺配方的改进以及对镀层性能的影响因素等方面进行了广泛的研究5 ，但对高磷镀层的摩擦磨损特性及其耐磨机理的研究很少文中对高磷镀层不同热处理状态下的耐磨性进行了研究，且与调质处理45钢对比分析，并对镀层的磨损机理进行了初步探讨1 实验方法11 高磷化学镀镍层的制备111 实验材料实验用基材为 70mm7mm的调质处理45钢，表面磨削并进行机械化学抛光112 工艺流程 抛光试样水洗一碱性除油一水洗一电解除油一水洗一弱酸浸蚀一水洗一化学镀镍磷一水洗一烘干12 镀层性能的测定镀层厚度用TT260型无损测厚仪测量；硬度用MH一3型显微硬度计测定，载荷50g；用EDS GENESIS2000 XMS60型X射线能谱仪测定试样镀层微区成分(EDAX)；表面形貌用Quanta一200扫描电子显微镜测试；采用普通箱式炉进行热处理，在各个温度下保温1 h摩擦磨损实验在自制的球一盘摩擦磨损试验机上进行，采用点接触方式，见图1对磨材料为GCr15钢球，固定不动，被测试件为表面镀镍磷圆盘，镀层厚度约30m，圆盘绕中心旋转，转速120rmin，正向载荷4O N，摩擦状态为干摩擦滑动磨损，摩擦时间15 min磨损失重用感量万分之一的奥豪斯AdventurerTM光电分析天平测量2 实验结果及讨论21 镀层成分及表面形貌经过电子探针分析镀层镍磷含量，测出镀层磷含量为1392 ，为高磷镀层一般认为，磷含量大于8 镀层就呈非晶态结构，徐瑞东等7研究指出，镀层成分在NiP相图共晶点(11 )附近时，已表现为典型的非晶态组织特征，而且随磷含量增加非晶态特征越明显图2为扫描电镜拍摄的镀层表面形貌，可以看到镀层表面十分平整光滑，结晶非常细致，且原子排列是无序的，无明显的晶界间隙和位错等缺陷，表现为非晶态结构图2 高磷镀层的表面形貌(SEM)Fig2 The morphology of the surface of HighP coating(SEM)22 不同热处理条件下的镀层硬度对镍磷合金镀层试样分别进行200、300、400、500、600 的热处理，硬度随热处理温度变化规律见图3图3 镀层硬度与热处理温度的关系Fig3 The relationship of hardness and heat。treatmenttemperature of Ni-P coating硬度是影响耐磨性的重要因素，图示曲线表明，热处理温度在300以下时，硬度升高缓慢；随后快速增加，400后又趋缓，到500时达到最高值；而后硬度随温度升高反而降低这一结果与王迎 、徐波 。 等人介绍的400热处理时硬度达到最大值有所不同，可能是由于该镀层含磷量较高，较高温度下磷化物析出较多原位XRD研究1 表明，磷原子随温度升高扩散聚集，引起晶格畸变，硬度增加；300时镍磷合金开始发生晶化，首先析出Ni P2和Ni,：P2，并随温度升高进一步转变为N P和Ni，NbP起到弥散沉淀强化作用，硬度迅速提高；温度继续升高后NbP相聚集长大，硬度随之降低磷含量越高Ni。P完全析出所需温度越高，因此该高磷镀层硬度峰值出现在500时23 高磷镀层的耐磨性分析图4是不同温度热处理条件下镍磷镀层的比磨损率变化规律图4 镍磷镀层比磨损率与热处理温度的关系Fig4 The relationship of abrasion ratio and heattreatment temperature of NiP coating从试验结果来看，经过热处理后，镀层耐磨性得到了成倍的提高，500热处理后镀层的比磨损率仅为200时的14多从图3，4可以看出，显微硬度的提高有利于耐磨性增加，500 热处理后硬度达到850 HV，比磨损率则降至036810(mgN m)；400 和600 时硬度虽有所差异，但比磨损率一样，说明硬度不是控制耐磨性的唯一因素，原因可能是由于600 时虽出现晶粒长大导致硬度下降，但晶格结构完整性更高，镀层的塑性和韧性有所改善，且与基体结合力更好作为基体的45钢在实际应用中一般经调质处理，因为经过如此热处理后其耐磨性等性能均达到最优状态，此时表面硬度为406 HV，比磨损率为3161O(mgNm)由图4可知，镍磷镀层经200 热处理后比磨损率为13810 (mgNm)，500热处理后的比磨损率仅为036810 (mgNm)，通过比较可以得知，在各个状态下NiP镀层的耐磨性均远优于调质处理45钢，经500 热处理后的耐磨性更是达到45钢的8倍，由此可见在45钢基体上化学镀镍磷可大大提高工件的耐磨性能24 高磷镀层磨损机理分析材料的磨损机理主要有磨料磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损等12高磷镍磷镀层为非晶态结构，200处理仍保持非晶态结构，干摩擦磨损形貌为镀层表面有明显突起变形，粘着磨损严重，并伴随有镀层剥落现象，见图5(a)这说明非晶态镀层虽然结构均匀细致，但由于表面硬度不高，容易发生塑性变形，表现为粘着磨损形态；经200处理后，镀层与集体结合力虽大有改善，但毕竟属于物理结合，当镀层塑变后在切应力作用下容易发生剥落500 热处理后，从磨损形貌上看，磨痕表面无明显突起变形，存在少量划痕，而且粘有褐色斑块，见图5(b)这表明磨损状态主要受高硬度的Ni。P颗粒控制，抗塑性变形能力增强，出现轻微转移对磨材料的粘着磨损；犁沟是由于Ni。P颗粒从基体脱落受压并刮擦摩擦表面，同时摩擦表面也受到对磨材料的刮削，说明了磨料磨损的存在；褐色斑块的出现则是轻微的氧化磨损造成的图5 200 和500 热处理后的Ni-P镀层磨损表面金相图片(X500)Fig5 The worn surface of Ni。P coating heattreated at200 and 500 (X500)3 结 论1)高磷合金镀层为非晶态结构，组织均匀，硬度达到最高值所需热处理温度较中低磷镀层要高；镍磷合金镀层耐磨性明显优于调质处理45钢，经5ooC热处理后能充分发挥镀层的摩擦磨损特性，可显著提高金属表面的耐磨性能；2)高磷合金镀层经200热处理后仍是非晶态结构，摩擦实验中表现为较严重的粘着磨损形态，且镀层塑性变形后容易剥落；3)高磷合金镀层经500热处理后结合力大为提高，镀层结构转变为晶态，析出Ni。P硬质相，硬度达到最大值，耐磨性也显著提高，表现为磨粒磨损和粘着磨损共存，同时伴随有轻微的氧化磨损由于是铁基材料，存在“同质金属粘附倾向”，所以对偶件材料表面撕裂的“山岭”状痕迹明显(见图6)材料经反复地粘附与脱粘，便形成铁基金属的疲劳磨损图6 铸铁对偶试样磨面的SEM 图像Fig6 The SEM image of iron couple3 结 论磨损的实质是在摩擦过程中由于材料的损伤而形成摩擦的物理化学机制，包括粘附与脱粘，弹性变形与塑性变形，机械切削等都可能造成摩擦材料的损伤8试验结果表明：1)对不同孔隙率的铁基粉末冶金摩擦材料，在MM-IO00摩擦磨损试验机上进行制动试验孔隙率在一定值(265 )时，4号试样自磨损最小，2号试样(204 )为其次；在对偶件的磨损方面，2号、3号均磨损较小，所以2号摩擦材料的综合机械性能最好2)铁基粉末冶金摩擦材料由于发生了粘结，主要磨损机理为粘着磨损与磨粒磨损同时存在，并伴随热疲劳磨损和“层状剥离”这是由于铁基粉末冶金摩擦材料在制动过程中受到反复加热与冷却，引起表面周期性应力的作用，造成微凸体不断粘附和脱粘，同时材料中的硬质点在摩擦表面露头，形成机械切削的结果3)铁基粉末冶金摩擦材料的孔隙率对摩擦磨损性能影响较大参考文献：1杨永连烧结金属摩擦材料J机械工程材料，1995，19(6)：18212王大全国外轿车的盘式制动器J汽车杂志，1994，118(8)：8-1033 Brake A联邦德国ICE列车的制动系统J翟智民，译国外铁道车辆，1989(6)：252943 Satoshi OhkawaElasticity-an important factor of wet friction materialJSAE，1991，100(2)：16817853毕静波，杨树才，孙希泰汽车摩阻材料综述口材料导报，1996(6)：16216Richard AMichael key element of wet brake and clutch designJSAE，1992，101(2)：4054127T)anninger HMicrostructure and mechanical properties of sintered IronJPMI，1993，25(35)：111115；170173；21922183温诗铸摩擦学原理M北京：清华大学出版社，1991：397402参考文献：1AshassiSorkhabi H，Rafizadeh S HEffect of coating time and heat treatment on structures and corrosioncharacteristicsof electroless NiP alloy depositsJSurface and Coatings Technology，2004，176：