热处理温度对CrMoNi铸铁基化学镀Ni—P层显微结构与性能的影响

王瑞雪，王 鹏，毛新钰，王明霞，严 峰，崔玉昌，梁小平

(1. 天津工业大学 a. 材料科学与工程学院；b. 环境与化学工程学院，天津300387；2. 广东省肇庆匹思通机械有限公司 技术部，广东 肇庆市 526000)

热处理温度对CrMoNi铸铁基化学镀Ni—P层显微结构与性能的影响

王瑞雪1a，王 鹏1a，毛新钰1a，王明霞1a，严 峰1b，崔玉昌2，梁小平1a

(1. 天津工业大学 a. 材料科学与工程学院；b. 环境与化学工程学院，天津300387；2. 广东省肇庆匹思通机械有限公司 技术部，广东 肇庆市 526000)

采用化学镀技术在CrMoNi高合金铸铁表面沉积Ni—P合金镀层，采用维氏硬度仪、M-2000摩擦磨损机、SEM和EDAX等手段研究了热处理温度对Ni—P合金镀层组织结构和性能的影响，并对磨损机理进行了分析．研究结果表明：CrMoNi 合金基体表面沉积Ni—P合金镀层能有效改善CrMoNi合金基体硬度和耐磨性．经过350,℃热处理时，获得的Ni—P合金镀层硬度达到极值1 072,HV，为基体硬度的4.5倍，耐磨性最佳，磨损率仅为基体的0.68‰，镀层的磨损机制为轻微的黏着磨损．

CrMoNi 合金基体；化学镀Ni—P合金层；热处理温度；硬度；耐磨性

制冷压缩机是制冷系统的核心和心脏，滚动活塞是制冷压缩机的主要构件之一，目前国内均采用添加Cr、Mo、Ni等合金元素的高合金铸铁作为滚动活塞材料．在活塞式压缩机工作过程中，活塞环与气缸壁之间的磨损是最常见的故障，过渡磨损会导致缸内压力下降而达不到工作压力、机油油膜变薄、活塞环与气缸之间形成边界润滑或干摩擦．随着建筑业、工商业的发展及人们对生活舒适度的要求越来越高，空调的需求日益增加．作为世界人口最多的国家，中国已成为家庭对空调的需求量较大的国家之一，高耐磨的用于空调压缩机的滚动活塞的市场潜力也更加巨大．提高活塞耐磨性的方法就材料而言，一是改变材料的成分，二是通过表面工程技术改善材料性能．化学镀(electroless plating)是目前常用的表面工程技术之一，均镀能力好是化学镀工艺最大的特点和优势．化学镀Ni—P合金层不仅可以提高基体的硬度，低磷含量的镀层还具有优异的耐磨性能[1-6]．目前有关在高合金铸铁上进行化学镀Ni—P镀层的研究较少，本文采用化学镀镍技术在CrMoNi高合金铸铁基体上沉积Ni—P镀层，并主要研究了热处理温度对Ni—P合金镀层显微结构与性能的影响．

1 实验部分

1.1 基材预处理

基体为CrMoNi高合金铸铁，尺寸为30,mm× 6,mm×7,mm．合金基体前处理流程为：金相砂纸打磨抛光(240#、360#、600#、1,000#依次进行)—乙醇中超声清洗—碱液除油—热蒸馏水清洗—冷蒸馏水清洗—弱酸活化—热蒸馏水清洗—冷蒸馏水清洗．

1.2 Ni—P合金层的制备及热处理

将经过表面预处理的基材置于施镀液中，化学镀液组成分别为：主盐硫酸镍30,g/L，还原剂次亚磷酸钠27,g/L，络合剂乳酸20,g/L＋丙酸8,g/L，稳定剂硫脲1.5,mg/L，表面活性剂十二烷基硫酸钠8,mg/L．施镀条件：温度88,℃，pH值5.0，沉积时间2,h．施镀完成后立即在热蒸馏水、冷蒸馏水中各清洗两遍，最后用热风机吹干．将符合要求的镀件放入电阻炉，分别在100,，200,，300,，350,，400,，450,℃下保温处理2,h，随炉冷却，取出镀件．

1.3 性能测试与表征

采用TMVP-1维氏硬度计测量铸铁基体及镀层显微硬度，载荷9.8,N，加载15,s，测量10个不同位置取平均值．采用M-2000摩擦磨损机测试铸铁基体及镀层的磨损率，摩擦形式为环-块式滑动摩擦，环材料为高铬钢，硬度为60～62,HRC，载荷10,N，转速200,r/min，磨损时间15,min，记录磨擦力矩，计算摩擦系数．采用Quam ta200环境电子扫描显微镜观察铸铁基体及镀层的显微形貌，摩擦磨损形貌．

2 结果与讨论

2.1 热处理温度对Ni—P合金镀层显微硬度的影响

图1为不同热处理条件下样品显微硬度随热处理温度的变化图．CrMoNi高合金铸铁基体的硬度值为238,HV，对比图1可知化学镀镍改性后样品表面硬度得到了有效改善．由图中可以看出，25,℃(即未经过热处理)的Ni—P合金层的硬度较基体提高了2倍左右，而经过热处理的镀层随着处理温度的升高，硬度呈先升高后下降的趋势，350,℃处理过的镀层硬度达到最大值1,072,HV，是基体硬度的4.5倍．

图1 不同热处理条件下样品显微硬度随热处理温度变化图

2.2 热处理温度对Ni—P合金镀层显微形貌的影响

图2为不同热处理条件下样品表面的SEM照片．从图中可以看出，基体表面因经过砂纸打磨及绒布抛光程序，较低的硬度使得打磨过程中表面形成凹凸不平，有较深的长条形沟痕(见图2a)；25,℃(即未热处理)的Ni—P合金镀层为非晶和微晶的混合组织，其表面未能形成大面积的晶粒生长，主要有微小晶粒组成，其硬度较低，(见图2b)；随着热处理温度的升高，镀层组织开始向晶态转变，使得硬度值有所提高．经过200,℃热处理之后的镀层表面开始有晶粒长大和聚集现象，随着热处理温度的升高，聚集的晶粒开始团聚，形成“菜花头”组织(见图2d)；350,℃热处理后的镀层表面晶粒继续长大，并且团聚形成的“菜花头”组织增多，晶粒间排列紧密，从而显著提高了镀层的显微硬度；400,℃热处理后的镀层表面开始粗化，晶粒排列疏松，导致镀层硬度下降．

图2 不同热处理条件下样品表面的SEM照片

2.3 热处理温度对Ni—P合金镀层摩擦磨损性能的影响

图3为不同热处理条件下样品表面磨损率及摩擦系数随热处理温度的变化图．CrMoNi合金基体的磨损率为0.97,g/min，相应的摩擦系数为0.095．经过热处理的化学镀Ni—P合金层耐磨性能有了显著提升，摩擦系数也明显变小．随着热处理温度的升高，镀层磨损率呈现先下降后上升的趋势．这是因为随着热处理温度的升高，镀层中磷含量开始下降，而低磷含量的镀层具有优良的耐磨性能，但镀层的显微硬度对磨损性能也有很大影响．从图中可以看出，经过350,℃热处理过的镀层耐磨性最好，摩擦系数为0.075，磨损率仅为基体磨损率的0.68‰．

图3 不同热处理条件下样品表面磨损率及摩擦系数变化图

图4为不同热处理温度下样品表面磨损的SEM照片．从图中可以看出，基体表面凹凸不平，有明显的裂纹和严重剥落现象(见图4a)；未热处理的镀层表面形成明显的磨粒堆积，为严重的磨粒磨损机制(见图4b)；经过200,℃热处理之后，镀层磨损形貌以磨痕为主(见图4c)，磨损机制为磨粒磨损＋黏着磨损．300,℃热处理后的镀层磨痕变浅，以黏着磨损为主(见图4e)．从图4f可以看出，经350,℃热处理后的镀层表面磨痕很浅且较平整光滑，其磨损机理为轻微的黏着磨损，磨损量最少，说明经350,℃热处理后镀层耐磨性能最佳．经400,℃热处理后，磨痕明显加深(见图4g)所示，说明此时黏着磨损已较严重．

图4 不同热处理温度下样品表面磨损的SEM照片

3 结 论

(1) 采用化学镀技术在CrMoNi高合金铸铁上沉积Ni—P镀层，随热处理温度的升高，镀层硬度先升高后降低，当热处理温度为350,℃时达到最高值为1,072,HV，是基体硬度的4.5倍，Ni—P合金镀层微观形貌为堆积紧密的“菜花头”结构．

(2) Ni—P合金镀层的磨损率随热处理温度的升高呈现先减小后增大的趋势，热处理温度为350,℃的Ni—P合金镀层的耐磨性最佳，摩擦系数为0.075，磨损率仅为基体的0.68‰，磨损机理为轻微黏着磨损．

［1］ 徐滨士，刘世参. 表面工程技术手册(上)[M]. 北京：化学工业出版社，2009：514-534.

［2］ LI L B，LIU B. Study of Ni-catalyst for electroless Ni-P deposition on glassfiber[J]. Materials Chemistry and Physics，2011，128(1/2)：303-310.

［3］ AVELAR B J C，SPAIN E，LETCH M，et al. Improvements on the wear esistance of high thermal conductivity cualloys using an electroless Ni—P coating prior to PVD deposition[J]. Surface and Coatings Technology，2006，201(7)：4052-4057.

［4］ 刘 建，梁小平，刘 磊，等. 酚醛塑料化学镀Ni-P合金镀层的显微结构及摩擦磨损性能[J]. 摩擦学学报，2012，32(4)：345-351.

［5］ 郑 振，李 宁，黎德育. 稳定剂对低磷化学镀镍液及镀层的影响[J]. 电镀与环保，2009，29(1)：30-33.

［6］ ELANSEZHIAN R，RAMAMOORTHY B，KESAVAN N P. Effect of surfactants on the mechanical properties of electroless(Ni-P)coating[J]. Surface and Coatings Technology，2008，203(5)：709-712.

Effect of Heat-treated Temperature on Microstructure and Properties of Electroless Ni-P Alloy Coating on CrMoNi High-alloy Cast Iron

WANG Rui-xue1a，WANG Peng1a，MAO Xin-yu1a，WANG Ming-xia1a，YAN Feng1b，CUI Yu-chang2，LIANG Xiao-ping1a
(1a. School of Material Science and Engineering；1b. School of Environmental and Chemical Engineering，Tianjin Polytechinic University，Tianjin 300387，China；2. Technology Department，Guangdong Province Zhaoqing PISTON Co.，Ltd.，Zhaoqing 526000，China)

Ni-P alloy coatings are deposited on CrMoNi high-alloy cast iron by electroless deposition technique. The effect of heat-treated temperature on the microstructure and properties of Ni-P alloy coatings is investigated by means of SEM，EDAX，Vickers hardness tester and M-2000 wear tester respectively，and the wear mechanism is analyzed. The results show that the CrMoNi substrate hardness and wear-resistance are effectively enhanced via the deposited Ni-P alloy coatings. After 350 ℃ heat treatment，the Ni-P alloy coating hardness is up to the maximum value of 1072 HV，which is 4.5 times of the substrate；meanwhile the coating has optimal wear-resistance，with only 0.68‰ wear rate of the substrate and mild adhesive wear of the wear mechanism of Ni-P alloy coating.

CrMoNi alloy substrate；electroless Ni-P alloy coating；heat-treated temperature；hardness；wear-resistance

TQ153

A

2095-719X(2014)03-0194-04

2014-03-27；

2014-04-01

广东省肇庆高新区科技计划项目(20120200022)

王瑞雪（1991—），女，甘肃天水人，天津工业大学硕士生．

梁小平（1970—），女，天津工业大学教授，博士．E-mail：tjpulxp@tjpu.edu.cn