载荷对镍钴合金镀层耐磨性的影响

刘霁云， 赵 阳， 董世运， 徐滨士

(装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室， 北京 100072)

载荷对镍钴合金镀层耐磨性的影响

刘霁云， 赵 阳， 董世运， 徐滨士

(装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室， 北京100072)

为了探究镍钴(Ni-Co)合金镀层在不同工况条件下的摩擦磨损情况，采用电沉积技术制备了Ni-Co合金镀层，分别利用显微硬度计和X射线衍射仪(X-RayDiffractometer，XRD)表征了Ni-Co合金镀层的显微硬度和相结构，利用摩擦磨损试验机、扫描电子显微镜(ScanningElectronMicroscope，SEM)、能谱仪(EnergyDispersiveSpectrometer，EDS)和三维形貌仪研究了镀层在不同载荷、频率与摩擦副下的摩擦学性能。结果表明：镀层的显微硬度为428HV；镀层为面心立方结构；镀层的磨损体积随载荷和频率的增大而增大；摩擦副为GCr15钢球时，主要为粘着磨损；摩擦副为Si3N4陶瓷球时，主要为磨粒磨损，且与摩擦副为GCr15钢球时相比，镀层磨损体积较小，摩擦因数(CoefficientOfFriction，COF)较低。

镍钴合金镀层； 耐磨性； 电沉积； 载荷

镍钴(Ni-Co)合金镀层是一种理想的防护性镀层，具有较高的硬度[1]、耐磨性[2]和高温稳定性[3]，作为一种重要的工程材料广泛应用于诸多领域。WANG等[4]研究表明：当镀层中Co含量达到30%～40%时，镀层硬度较高，具有良好的耐磨性。由于钴含量高的镀层内应力大、抗热裂性能差和性价比低，因此在实际应用中，Co含量一般控制在40%以下。在保证耐磨性的前提下尽量减少Co用量，对于提高电镀的经济效益和可持续发展具有重要意义。

电沉积技术制备Ni-Co合金镀层的镀液体系多种多样，且制备工艺也十分成熟。研究人员主要集中研究了电沉积技术的工艺和镀液配方对Ni-Co合金镀层性能的影响，如：迟玉忠等[5]通过在镀液中加入稀土元素，有效改善了镀层质量，提高了镀层结合强度；WU等[6]研究了Co含量对Ni-Co合金镀层结构及耐磨性的影响。但目前对于镀层在不同工况条件下的摩擦磨损情况研究较少。鉴于此，笔者采用电沉积技术制备了一种Co含量在40%左右的Ni-Co合金镀层，分别用Si3N4陶瓷球和GCr15钢球作摩擦副，并施加不同载荷和频率，对Ni-Co镀层的摩擦学性能进行研究。

1 实验材料和方法

1.1试样处理

基体为黄铜，尺寸为20 mm×20 mm×10 mm。摩擦测试前用酒精擦拭干净。试验基本镀液pH=3.0～4.0，其组成为：硫酸镍250 g/L，硫酸钴40 g/L，硼酸45 g/L，氯化钠20 g/L，糖精钠2 g/L。

1.2性能测试

采用D8型多晶X射线衍射仪(X-Ray Diffractometer，XRD)进行镀层相结构分析，Cu靶，管电压为40 kV，管电流为40 mA。采用HVS-1000数显显微硬度计测定镀层显微硬度，在试样上取5个点，取其平均值，施加载荷F=100 mN，时间为15 s。

采用美国CETR-UTM-3型多功能摩擦磨损试验机进行干磨损试验，运动为往复式运动，试验条件如下：1)摩擦副为Si3N4陶瓷球，直径4 mm，硬度约1 500 HV，F=10、20、40 N，频率f=5 Hz，摩擦时间t=30 min；2)摩擦副为GCr15钢球，直径4 mm，硬度59 HRC，F=10、20、40 N，f=5 Hz，t=30 min；3)摩擦副为GCr15钢球，直径4 mm，f=5、7.5、10 Hz，F=10 N，t=30 min。

采用日立公司生产的S4800冷发射扫描电子显微镜(Scanning Electron Microscope，SEM)观察磨痕表面，并用其自带的能谱仪(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)测试磨痕中的元素质量分数。采用OLYMPUS公司生产的三维形貌仪测量磨损体积。

2 结果和讨论

2.1镀层结构和显微硬度

镀层与基体上各取5个点，测得显微硬度如表1所示。可以看出：镀层的显微硬度较为均匀，在420～440 HV之间，平均显微硬度为428 HV；而基体的平均显微硬度为57 HV，镀层的显微硬度约是基体的7.5倍。

表1 镀层与基体的显微硬度 HV

图1 镀层XRD衍射图谱

该镀层的XRD衍射图谱如图1所示。可以看出：镀层在2θ=44°附近出现(111)衍射峰，在2θ=52°附近出现(200)衍射峰，且(111)衍射峰强度远大于(222)衍射峰强度，镀层表现出(111)晶面择优取向，呈单相的面心立方结构。

2.2磨痕形貌及磨损机制

摩擦副为GCr15钢球时镀层磨痕表面形貌SEM图如图2所示。可以看出：当F=10 N时，镀层磨痕表面较为平整，存在片状剥落，呈现粘着磨损；当F=20 N时，出现明显塑性变形，剥落面积变大，表面破坏严重，粘着磨损加剧，且磨痕里出现裂纹，表明还伴有疲劳磨损；当F=40 N时，磨痕表面出现大面积剥落，磨损程度加剧。分析其原因为:施加载荷增大会引起磨痕表面磨损程度加剧，当施加载荷增加到一定程度时，接触应力使磨痕表面产生塑性变形，在剪切和塑变作用下，接触表面不可避免地产生粘着直至脱落，使得磨痕局部区域出现明显剥落[7]，表现出典型的粘着磨损特征[8]。对比图2(a)、(b)可知：当施加载荷不变、频率增大1倍时，镀层磨损程度加剧，表面呈现出更加典型的粘着磨损。这说明增大频率与施加载荷均能使镀层出现明显的粘着磨损。

摩擦副为Si3N4陶瓷球时镀层磨痕表面形貌SEM图如图3所示。可以看出：与摩擦副为GCr15钢球相比，磨痕表面更加光滑；当F=10 N时，镀层表面有犁沟状划痕出现，且有磨屑存在，说明此时主要磨损方式为磨粒磨损，在反复摩擦作用下镀层磨损表面出现了一些微裂纹，说明还存在轻微疲劳磨损[9]；当F=40N时，镀层表面磨痕沿往复运动方向发生塑性变形，且犁沟变宽，磨粒磨损加剧。

图2 摩擦副为GCr15钢球时镀层磨痕表面形貌SEM图

图3 摩擦副为Si3N4陶瓷球时镀层磨痕表面形貌SEM图

2.3磨损体积和摩擦因数

图4为镀层在不同施加载荷与摩擦副下的摩擦因数变化曲线。可以看出：当摩擦副为GCr15钢球时，F=10 N时的摩擦因数最小，F=20、40 N时摩擦因数接近，在0.8～1.0之间；当摩擦副为Si3N4陶瓷球时，F=20 N时摩擦因数最小，F=40 N时最大，在0.7～0.8之间。与GCr15钢球相比，Si3N4陶瓷球为摩擦副时，镀层的摩擦因数较小。

图4 镀层在不同施加载荷与摩擦副下的摩擦因数变化曲线

表2 磨痕中所含元素质量分数的EDS检测结果

表2为磨痕中所含元素质量分数的EDS检测结果。可以看出：当摩擦副为GCr15钢球时，磨痕中的O元素较少，此外还含有少量的Fe元素；当摩擦副为Si3N4陶瓷球时，磨痕中O元素急剧增多，表明磨痕中有较多的氧化物。

图5为不同施加载荷与摩擦副下镀层的磨损体积。可以看出：随着施加载荷的增大，镀层磨损体积随之增大；当摩擦副为Si3N4陶瓷球时，镀层的磨损体积远小于摩擦副为GCr15钢球时的磨损体积，仅为其20%～30%。这是因为：用Si3N4陶瓷球作为摩擦副时，镀层表面摩擦产生高温形成氧化物(见表2)，Ni-Co合金硬度远小于陶瓷，氧化物多附着于镀层磨痕表面，抵抗了陶瓷球的摩擦，减轻了磨损，此时氧化反应层起到了保护镀层的作用；而Ni-Co合金镀层硬度与GCr15钢球硬度相差不是很大，一部分氧化物附着于GCr15钢球，镀层表面氧化物减少，导致镀层磨损严重。

图5 不同施加载荷与摩擦副下镀层的磨损体积

采用GCr15钢球为摩擦副，施加载荷为10 N，频率分别为5、7.5、10 Hz时，测得的磨损体积和摩擦因数变化曲线分别如图6、7所示。由图6可以看出：镀层磨损体积随频率的增大而逐渐增大，但增幅较小。由图7可以看出：与f=5 Hz时相比，f=7.5、10 Hz时的摩擦因数波动明显增大。从以上实验可以看出：频率对镀层的摩擦磨损性能影响较小，施加载荷与摩擦副是影响镀层磨损的主要因素。

图6 3种频率下的磨损体积

图7 3种频率下镀层摩擦因数变化曲线

3 结论

采用电沉积技术制备了Ni-Co合金镀层，表征了镀层的显微硬度和相结构，考察了不同载荷、频率、摩擦副下的摩擦学性能。结果表明：该Ni-Co合金镀层硬度约为428 HV，晶面表现出明显的(111)择优取向，镀层呈现出面心立方结构；施加载荷和频率增大，Ni-Co合金镀层磨损体积随之增大；同等条件下，当摩擦副为GCr15钢球时，磨损方式主要为粘着磨损，磨损体积和摩擦因数较大；当摩擦副为Si3N4陶瓷球时，镀层的磨损方式主要为磨粒磨损，镀层磨损体积较小，摩擦因数也略低。该镀层在与高硬度的物质发生摩擦时，具有较好的耐磨性。

由于Ni-Co合金镀层具有较好的高温稳定性，常被用于高温环境，下一步将继续研究该Ni-Co合金镀层的高温耐磨性。

[1] 武钢,李宁,杜明华,等. 电沉积Ni-Co合金镀层结构及硬度研究[J].材料科学与工艺,2002,10(4):419-423.

[2] 耿哲,刘阳,张宏杰,等.结晶器铜板Ni-Co电镀层的耐磨性[J].中国表面工程,2013,26(6):93-99.

[3] 三谷和久,桥田和夫,周康.改善连铸铜板耐磨性能的Ni-Co合金的特性[J].连铸,1999(6):35-36.

[4] WANG L P,GAO Y,XUE Q J,et al.Microstructure and tribological properties of electrodeposited Ni-Co alloy deposits[J].Applied surface science,2005,242(3/4):326-332.

[5] 迟玉忠,刘雁红,王新庄.电沉积镍钴纳米合金的制备及性能研究[J].天津科技大学学报[J],2007,22(3)：40-43.

[6] WU Z W,LEI Y P,WANG Y,et al.Effect of cobalt content on microstructure and property of electroplated nickel-cobalt alloy coatings[J].Materialwissenschaft und werkstofftechnik,2013,44(7):593-600.

[7] 党兴武,黄建龙,陈生圣.载荷、往复滑动频率及其交互作用对35Cr Mo/GCr15钢磨损的影响[J].兰州理工大学学报,2015,41(5):32-36.

[8] 王立平,高燕,刘惠文,等.相结构对Ni-Co合金镀层摩擦磨损性能的影响[J].电镀与环保,2005,25(2):14-16.

[9] 范娜,王云霞,王秋凤,等.载荷对304不锈钢微动磨损性能的影响[J].摩擦学学报,2016,36(5):555-561.

(责任编辑: 尚菲菲)

EffectofLoadonWearResistanceofNi-CoAlloyCoating

LIU Ji-yun, ZHAO Yang, DONG Shi-yun, XU Bin-shi

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing100072, China)

In order to investigate the friction and wear of Ni-Co alloy coating under different conditions, the Ni-Co alloy coating is prepared by electrodeposition. Its microhardness and phase structure are chara-cterized by X-Ray Diffractometer(XRD) and microhardness tester. The tribological properties of coating are investigated by the CETR-UMT-3tribometer, Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive Spectrometer (EDS) and three-dimension profilometer under different loads, frequencies and friction pairs. The results show that the microhardness is428HV and the coating has face-centered cubic structure; The wear volumes increase with the increase of loads and frequencies; after sliding against the GCr15ball, the adhesive wear is dominated; after sliding against the Si3N4ceramic ball，the abrasive is dominated and the wear volume and the Coeffcient Of Friction(COF) of Ni-Co electrodeposited coating is less than that against the GCr15ball.

Ni-Co alloy coating; wear-resisting property; electroposition; load

1672-1497(2017)04-0106-05

2017-05-31

国家重点研发计划基金资助项目(2016YFB1100205)

刘霁云(1992-)，男，硕士研究生。

TQ153.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2017.04.020