WC含量对CuZnAl表面Ni-P-WC复合镀层耐磨性的影响

刘爱莲,　毛楠楠,　徐家文

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)



WC含量对CuZnAl表面Ni-P-WC复合镀层耐磨性的影响

刘爱莲,毛楠楠,徐家文

(黑龙江科技大学 材料科学与工程学院, 哈尔滨 150022)

为提高材料的表面硬度和耐磨性,采用化学复合镀在CuZnAl合金表面制备不同WC含量的Ni-P-WC复合镀层,通过扫描电子显微镜观察分析复合镀层的微观形貌,测试复合镀层的耐磨性和显微硬度,分析WC含量对镀层耐磨性的影响规律。结果表明:当镀液中WC的质量浓度为30 g/L时,复合镀层呈均匀的胞状结构和优异的耐磨性。

化学镀； CuZnAl合金； Ni-P-WC复合镀层； 耐磨性

0　引　言

目前,在航天航空器的发动机零件、轴类等转动零件、军用枪械等应用领域对Ni基镀层提出了更高耐磨性的要求。化学镀Ni-P合金本身就是耐磨性材料,为了进一步提高其耐磨性,在Ni-P化学镀过程中加入硬质耐磨的WC颗粒,以达到高耐磨性的要求。尹明勇等人研究过类似WC的SiC[1]、Ni-P化学复合镀层[2]。类似的还有加入金刚石[3],氧化铝[4]等。碳化钨为黑色六方晶体,有金属光泽,硬度与金刚石接近,为电、热的良好导体,化学性质稳定,不溶于水,且有良好的耐酸耐碱能力[5]。

CuZnAl形状记忆合金具有形状记忆性能好、应用温度范围宽、原料来源广泛、价格低廉等优点,但也存在晶粒粗大、强度低、易脆断和形状记忆稳定性差、耐磨性、耐蚀性不好等缺点。因此,笔者以CuZnAl合金为基体,对其进行化学复合镀Ni-P-WC膜[6-8],期望能提高其耐磨性能。

1　实验材料与方法

实验基体选用CuZnAl合金,质量分数Zn26%,Al4%,Cu70%。选择平均粒径为10 μm 的WC粉末,化学复合镀液所用到的试剂纯度均为分析纯。

实验前基体合金进行电火花线切割,试样尺寸为15 mm×15 mm×2 mm,然后用砂纸打磨并超声清洗。

选用Ni-P[9-10]配方为常用的钢铁材料化学镀配方,包括硫酸镍、柠檬酸钠、无水乙酸钠与次亚磷酸钠。实验时向镀液中加入不同含量的WC,WC的质量浓度分别为0、20 、30 、40 g/L,施镀温度为75 ℃,利用NaOH溶液和稀硫酸调整镀液的pH值为4。

化学镀前进行预处理,主要包括除油、敏化、活化、还原,除油使用质量浓度为50 g/L的NaOH溶液,敏化用SnCl2溶液,活化用PdCl2溶液,还原用次亚磷酸钠溶液。实验的每一步完成后,均用去离子水清洗试样。完成化学镀,将试样取出进行水洗、超声波酒精清洗,烘干,称重。

采用Rigaku公司的D/MAX2200型X射线衍射仪测定化学复合镀层Ni-P-WC的物相结构,实验参数:Cu靶Kα辐射,λ=1.541 8 μm;管电压为40 kV;管电流为30 mA;步长为0.02°;扫描速度为4 (°)/min-1;测量范围为20°～90°。

使用Qunta 200 型扫描电子显微镜来观察Ni-P-WC化学复合镀层的表面形貌和截面形貌,并用能谱分析仪对Ni-P-WC化学复合镀层表面做截面线扫。

采用MHV2000测量Ni-P-WC化学复合镀层的显微硬度。测试条件:施加载荷2.942 N,加载时间为10 s,每个试件选取10个点,去掉一个最大值和一个最小值,试件的硬度值为八次测量所得数值的平均值。

为了测试化学复合镀层的耐磨性,耐磨实验在HIT-II摩擦磨损试验机上进行,载荷2 N,时间为10 min,计算摩擦磨损前后质量差,比较耐磨性能,并用扫面电镜观察镀层磨损后的微观形貌，分析其机理。

2　结果与分析

2.1镀层表面形貌和结构

图1为不同WC含量的化学镀镀层的表面形貌。

图1　不同WC含量化学复合镀镀层的表面形貌

Fig. 1Surface morphology of different chemical compound copperplating WC content layer

从图1中看到,四幅图镀层表面有胞状物质结构,并且分散不均匀,图1a表层较为光滑,图1b、1c和1d表面较为粗糙,且图1c中颗粒聚集较为致密,图d中有些许孔隙结构。因为在化学镀过程中镀层金属逐渐沉积在基体表面,WC颗粒被不断的包裹在被镀材料中间,并随着镀层金属沉积在基体表面,镀层逐渐加厚,所以,胞状结构大小不均匀使镀层表面出现少量的WC粉末团聚现象,WC颗粒的密度大且比表面能高,在镀液中极易团聚和沉降,不能够均匀的分散。从图1中可以看出,30 g/LWC含量化学镀镀层较为致密,并且有少量的孔隙结构,与镀层中WC含量有关。化学复合镀层中WC含量越多,胞状结构越致密,随着WC含量增加到一个程度之后,化学复合镀层表面的结构致密度下降,并且孔隙逐渐增加。

2.2镀层截面形貌和线扫

图2为不同WC含量的复合镀层表面能谱线扫。由图2a可以看出,CuZnAl基体与镀层结合紧密,结合面光滑平整,是因为没有WC颗粒的缘故。图2b、2c、2d结合位置没有明确的界面,明显粗糙了很多,在结合面处Ni-P的含量较多,结合部分发亮的点是WC颗粒。图2b、2d中WC颗粒分散明显不均匀,还有少量的团聚现象。因为WC颗粒是以机械搅拌方式通过包裹,沉淀,沉积在基体表层上的,所以沉积的位置不成规律,还有简单的团聚现象,发亮的点有大有小的明显团聚。采用SEM观察复合镀层截面形貌可以算出各个镀层的厚度,随着WC含量的增加镀层厚度增加,但是在30 g/L时达到最大为11.67 μm,之后又随着WC含量的增加镀层厚度减小。但所有Ni-P-WC镀层厚度都比Ni-P镀层厚度要大,这也是分散了WC颗粒的原因。

2.3XRD物相分析

图3是WC颗粒质量浓度为30 g/L时，化学复合镀层的X射线衍射。由图3知 X射线衍射谱在31.511°、35.641°、48.296°位置有很多尖锐的衍射峰,在衍射角为64.022°,73.104°,77.099°出现相对较弱的峰。无漫散射峰出现证明此镀层为晶体结构,峰的位置出现的大多是WC和基体, WC的大部分以晶体形式存在,是包裹在大量的胞状物中,少部分被镍离子的沉积包裹着存在,表面还测到了少量基体成分。

2.4显微硬度分析

由图4看出,只有Ni-P的复合镀层硬度相对较低为272,加入WC的复合化学镀的显微硬度平均值是随着WC含量的增加而增加,当增大到某个值之后,又随着含量的逐渐增加而减少,在复合镀层约为30 g/LWC含量时,化学复合镀层硬度达到最大为423,20 g/LWC含量时的化学复合镀层显微硬度为345, 40 g/LWC含量时的化学复合镀层显微硬度为355。因为镀层中WC微粒的存在会阻碍金属基体的位错运动和限制晶界滑移,所以加入WC的显微硬度都大于没有加入的实验组,由于WC微粒的加入,增加了形核的质点,镀层在沉积过程中更容易形核,从而阻止了晶粒的聚集长大,所以晶粒细小。随着WC含量的增加,晶粒越来越细小,表现为外在的硬度值相对较高。

图2　不同WC含量化学复合镀镀层的截面线扫

Fig. 2Cross-section microstructure of different chemical compound copperplating WC content layer

图3　化学复合镀层的X射线衍射

图4　不同WC含量化学复合镀层的显微硬度

Fig. 4Microhardness of different chemical compound copperplating WC content layer

2.5磨层磨损性能对比和磨损机理分析

图5为化学复合镀层摩擦磨损前后失重的对比,只有Ni-P镀层的磨损量m最大,磨损的是镀层表面,后三组随着WC含量的增加磨损量先是减少,然后到一个最小值后逐渐增加,只有Ni-P镀层的磨损量几乎是30 g/LWC含量化学复合镀层磨损量的2倍,说明不加WC的镀层耐磨性在这几组实验中为最差,30 g/LWC含量化学复合镀层的耐磨性能最优。

图5　摩擦磨损实验的磨损量对比

图6为不同WC含量化学复合镀层摩擦磨损后的SEM照片。

图6　摩擦磨损实验后的表面磨损形貌

Fig. 6Wear surface morphology after friction and wear experiments

从图6a能清晰看到摩擦方向的划痕,细密且方向一致,并且有明显的切削痕迹和黏着脱落,其磨损机理为黏着磨损和磨粒磨损,表面出现的小颗粒或是突起为磨损产物。图6b、6c、6d有明显的河流状花纹,图6b出现较为密集的鳞片状层次,图6c对比图6b花纹密度要大一些,鳞片状剥落相对少一些,表面相对较为平整,说明其耐磨性能与上文磨损量的对比结果一致,也说明WC的含量影响镀层表面磨损形貌和机理。图6a为只有Ni-P的复合镀层,没有WC的润滑作用,摩擦时进行的相对运动是纯粹的组织与组织的摩擦,可以看到非常清晰的划痕,四组实验中能清楚的比较出图6c表面更为平整一些。这是由于硬质颗粒WC的弥散强化作用提高了镀层的显微硬度,所以增强了镀层的耐磨性能。

3　结　论

(1)Ni-P复合镀层显微硬度最小,30 g/LWC含量的复合镀层显微硬度对比最大。实验中,其他加入WC含量的镀层显微硬度也明显大于不曾添加WC时的硬度。

(2)Ni-P复合镀层与基体结合良好,镀层厚度均匀,当WC质量浓度为30 g/L时,WC弥散分布在Ni-P镀层中,比较致密。

(3)WC质量浓度为30 g/L时的复合镀层表面的磨损失重最小,耐磨性能最好。

[1]尹明勇, 马立群, 王娟, 等. SiC-p/Al复合材料化学镀镍-磷的工艺研究[J]. 电镀与环保， 2013, 33(1): 27-29.

[2]赵芳霞, 刘琛, 张振忠, 等. Ni-P和Ni-Cu-P化学镀层对比研究[J]. 材料保护， 2006, 39(3): 63-67.

[3]孙刚, 陈超, 彭放, 等. 金刚石表面电镀镍铁合金工艺研究[J]. 表面技术， 2007, 36(14): 49-51.

[4]王芳, 俞宏英, 孙冬柏, 等. Ni-P-纳米Al2O3复合镀层耐磨性能研究[J]. 电镀与涂饰， 2007, 26(3): 1-4.

[5]黄伯云. 中国材料工程大典[M]. 北京：化学工业出版社, 2005.

[6]周苏闽, 王红艳. 多元复合化学镀层的构造理论及其应用[J]. 表面技术, 2002, 31(6): 68-70.

[7]金永中, 黄勇. 化学镀Ni-P-WC复合镀层的微观结构研究[J]. 四川理工学院学报：自然科学版, 2011, 24(2): 218-220.

[8]马洪芳, 工艺涵, 许斌. Ni-P纳米复合化学镀的研究现状及展望[J]. 材料保护, 2010, 43(11): 32-35.

[9]王天旭, 蒙继龙, 李子金. 化学镀Ni-P镀层的生长机理研究[J]. 材料保护, 2007, 40(12): 4-6.

[10]毕虎才, 卫英慧. 化学镀Ni-P镀层晶化过程研究[J]. 材料科学与工艺, 2007, 15(4): 589-592.

(编辑徐岩)

Effect of WC content on wear properties of electrolees Ni-P-WC composite coating on surface of CuZnAl alloy

LIUAilian，MAONannan,XUJiawen

(School of Materials Science & Engineering, Heilongjiang University of Science & Technology, Harbin 150022, China)

This paper is motivated by the need for improving the surface hardness and wear resistance of CuZnAl alloy. This study does so by depositing Ni-P-WC composite coating containing different content of WC particles on the surface of CuZnAl shape memory alloys using electroless coating; investigating the microstructure, phase constitutent, microhardness and wear properties of Ni-P-WC composite coating by X-ray diffraction, scanning electron microscope and energy dispersive spectrum; and above all, testing the microhardness and wear properties of Ni-P-WC composite coating by microhardness testing machine and friction wear testing machine and thereby analyzing the effect of WC content. The results show that the Ni-P-WC composite coating is crystal state and boasts a better bonding the matrix well and the homogenous coating thickness; as in the case of WC content of 30 g/L, WC particles disperse in the coating, thus giving the composite coating a fine cell morphology and the best wear resistance.

electroless plating； CuZnAl alloy； Ni-P-WC composite coating； wear resistance

2015-09-05

刘爱莲(1975-),女,河南省商水人,副教授,博士,研究方向:形状记忆金与金属材料的表面改性,E-mail:liuailian@yeah.net。

10.3969/j.issn.2095-7262.2015.05.011

TQ153.15

2095-7262(2015)05-0516-05

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