液压活塞杆上电镀铁镍钨和镍钨磷合金的耐磨和耐蚀性能比较

张青芳*，雷同鑫

（1.长沙医学院化学教研室，湖南 长沙 410219；2.湖南纳菲尔新材料科技股份有限公司，湖南 长沙 410200）

液压活塞杆上电镀铁镍钨和镍钨磷合金的耐磨和耐蚀性能比较

张青芳1,*，雷同鑫2

（1.长沙医学院化学教研室，湖南 长沙 410219；2.湖南纳菲尔新材料科技股份有限公司，湖南 长沙 410200）

在45钢表面电镀了Fe-Ni-W和Ni-W-P合金。对比了两种钨合金镀层热处理后的显微硬度、元素组成和结晶情况，通过磨擦磨损试验、中性盐雾试验和浸泡腐蚀试验比较了它们的耐磨和耐蚀性能。Fe-Ni-W和Ni-W-P合金镀层均光亮、平滑，晶粒尺寸均在10 ～ 40 nm范围内，摩擦因数分别为0.086 1和0.094 4。Ni-W-P合金镀层的耐蚀性优于Fe-Ni-W合金镀层，经中性盐雾试验、5%盐酸浸泡和5% NaOH溶液浸泡96 h后依旧光亮，没有锈蚀点。

铁镍钨合金；镍钨磷合金；电镀；耐磨性；耐蚀性；液压活塞杆

Abstract:Fe-Ni-W and Ni-W-P alloy coatings were electroplated on the surface of 45 steel, respectively.The microhardness, elemental composition and crystallization state of the two kinds of tungsten alloy coatings after heat treatment were compared, and their wear and corrosion resistance were compared through friction and wear test, neutral salt spray test and immersion corrosion test.Both Fe-Ni-W and Ni-W-P alloy coatings are bright and smooth with a grain size in the range of 10-40 nm.The friction coefficient is 0.086 1 for Fe-Ni-W alloy coating and 0.094 4 for Ni-W-P.The Ni-W-P alloy coating is still bright without any rust spot on its surface after neutral salt spray test and immersion in 5% hydrochloric acid or 5% NaOH solution for 96 h, showing a better corrosion resistance than the Fe-Ni-W alloy coating.

防止损害官兵正当权利。目前，官兵的薪资、住房、医疗、休假、优待抚恤等权利分散地体现在相关军事法规制度中，在实施过程中存在各种人为裁量的因素，容易损害官兵正当权利。推行军队行政权力清单制度，通过对权力运行的规范和监督，能有效防止损害官兵正当权利的行为。再者，军队行政权力清单制度使得军队行政权力很大程度上面向广大官兵公开，因而能切实尊重和维护广大官兵对军队重大问题的知情权、建议权、参与权和监督权，保障广大官兵的民主权利。

Keywords:iron-nickel-tungsten alloy; nickel-tungsten-phosphorus alloy; electroplating; wear resistance; corrosion resistance; hydraulic piston rod

事情是这样的，那天，当我穿过教学楼大厅走到储物柜附近时，听到几个同学正在闲聊。“我觉得他看起来像个半兽人。”这是朱利安的声音，我一听便知。接下来是周围的一片附和声。“可你为什么总和他在一起呀？”朱利安向身旁一个打扮成“木乃伊”模样的同学发问。“唉，我也不知道，开学时校长图什曼吩咐我多和他在一起，我虽然不怎么情愿，可也得听校长的话呀。”说完，“木乃伊”耸了耸肩。啊！这是杰克常做的招牌动作啊！平时，朱利安对我的歧视是明目张胆的，可杰克总是表现出对我关爱有加的样子啊！他怎么可以这样？我转身离开，没有引起任何人的注意，然后去洗手间痛哭了一场。

First-author’s address:Teaching and Research Section of Chemistry, Changsha Medical University, Changsha 410219,China

基体为直径8 mm、长50 mm的液压活塞杆，由湖南三一重工股份有限公司提供，材质为45钢。工艺流程为：金属清洗剂清洗→电解活化→电镀(110 ～ 120 μm)→热处理(600 °C，3 h，空冷，采用加液蜡的麻纤维抛光轮在数控抛光机上进行粗抛和细抛以去除氧化层)。

目前钨合金电镀应用较多的镀种有Fe-Ni-W和碱性Ni-W-P，这两种镀层的外观和性能良好，深镀能力强[5-7]，已经应用于多种工件[8-9]，可替代镀铬，但在液压活塞杆上电镀钨合金尚未见报道。本文在45钢上分别电镀Fe-Ni-W和碱性Ni-W-P，对比了这两种镀层的微观结构、耐磨性能和耐腐蚀性能，为液压活塞杆的试制提供一定的参考。

1 实验

1.1 Fe-Ni-W 和 Ni-W-P 合金电镀

液压缸是将液压能转变为机械能的元件，做直线往复运动或摆动。液压缸基本上由缸筒和缸盖，活塞和活塞杆，密封装置，缓冲装置以及排气装置组成[1]，最常见的材质是45钢、20钢和27SiMn。其结构简单，用来实现往复运动时可免去减速装置，并且没有传动间隙，运动平稳，因此在各种机械的液压系统中得到广泛应用。使用时由于外界环境的影响，活塞杆容易出现划伤、磨损和腐蚀，因此常对活塞杆表面进行电镀铬，包覆陶瓷，或热喷涂[2-4]，以提高它的防腐耐磨性能。镀铬工艺环境污染严重，镀铬中使用的六价铬具有剧毒性。包覆陶瓷则很难获得较好的机械性能。至于热喷涂，技术尚不成熟且成本较高。

从图3(图3b中负值表示凹陷深度，正值表示突出的高度)可知，Fe-Ni-W和Ni-W-P合金镀层的平均摩擦因数分别为0.086 1和0.094 4，平均磨损深度分别为1.5 µm和2.8 µm，说明在相同试验条件下，Fe-Ni-W有更优异的耐磨性能。

1.2 钨合金镀层的性能表征

生产过程中，电镀Fe-Ni-W消耗钨酸钠的量是电镀Ni-W-P的1.5倍左右。由于钨酸钠的价格高，因此电镀Fe-Ni-W的原料成本相对较高。另外Fe-Ni-W的镀速比Ni-W-P慢，人工和时间成本也较高。Ni-W-P镀液对Fe的容忍度有限，而镀液中铁杂质的引入在所难免，因此Ni-W-P镀液的维护和处理成本比Fe-Ni-W镀液高。综合考虑，Ni-W-P在成本核算上稍显优势。

采用HV-1000维氏显微硬度计(上海泰明光学仪器有限公司)测镀层的显微硬度，载荷200 g，加载时间20 s。每个试片随机测5点，取平均值。

50 mm × 30 mm × 1 mm的304不锈钢板经金属清洗剂清洗后，不电解活化而直接在电流密度10 A/dm2下电镀钨合金10 min。镀层在不锈钢板上的附着力小，因此折弯后直接用镊子取下镀层并称量，用体积比为1∶2的氢氟酸和浓硝酸混合液加热溶解、稀释，然后分别参照文献[11]、GB/T 223.23-2008《钢铁及合金 镍含量的测定 丁二酮肟分光光度法》、HJ/T 345-2007《水质 铁的测定 邻菲罗啉分光光度法》和GB/T 13913-2008《金属履盖层 化学镀镍-磷合金镀层规范和试验方法》的附录D，测定镀层中钨、镍、铁和磷的含量。

由图1可知，每隔24 h测定的AWCD值随着培养时间的延长均呈增大趋势，这表明不同植被恢复模式土壤微生物利用碳源的量随着培养时间的延长均逐渐增大，但不同植被恢复模式相对于自然恢复土壤微生物利用碳源的 AWCD值大小有显著不同。土壤微生物群落AWCD值均在24~144 h内迅速升高，之后缓慢地升高最后趋于稳定。AWCD值的快速增加表明土壤碳源被土壤微生物大量利用，土壤微生物进入指数生长期。

参照GB/T 10125-2012《人造气氛腐蚀试验 盐雾试验》对钨合金试样进行中性盐雾试验。在(35 ± 1) °C、pH = 7.0 ～ 7.2的条件下，向盐雾箱中持续喷洒质量分数为5%的NaCl溶液，96 h后将试样取出，冲洗并吹干。另外，将试样分别浸入5%(质量分数)盐酸和NaOH溶液中评价镀层的耐蚀性。

在当下互联网时代，标准化研究机构无论是发布相关通知，还是展示工作成果，抑或是提供各种信息和服务，门户网站都是最主要的途径之一。门户网站的设计情况也就直接体现该机构品牌的建设情况。按照目前32家标准化研究机构的门户网站设计情况，以名称的相符性为界，可以将门户网站分为三类：第Ⅰ类，网站名称与标准化研究机构名称一致；第Ⅱ类，网站名称与标准化研究机构名称不一致；第Ⅲ类，未建立门户网站，或网站设计不明确、基本功能较欠缺，或网站访问不稳定，或难以通过搜索引擎找到网站地址等。32家标准化研究机构网站分类情况见图3。

在德国SST-ST销盘式摩擦磨损试验机上进行耐磨性测试。载荷100 N，对偶件为直径8 mm的GCr15钢球，滑动速率0.21 m/s，润滑介质为SAE10W-40SL润滑油，环境温度20 °C，相对湿度50% ～ 65%，时间60 min。试验完毕，采用日立公司的S-3500N扫描电镜(SEM)观察钨合金镀层的磨损形貌。

国有企业在内部监督体系的建设上也存在问题。例如：在内部审计制度设计上审计设计流程缺乏科学性，对审计的管理缺乏规范性，审计人员的安排上缺乏合理性。现阶段我国国有企业的管理层主要是由政府部门委派，这就形成企业内部财务管理人员、内部审计人员在企业中的地位并不高，特别是在内部审计工作中缺乏独立性和权威性，审计人员对审计中出现的问题得不到企业管理层的重视。长此下去，必将打击审计人员的工作积极性，，还很容易滋生各种腐败现象。

采用日本理学D/max-r A型X射线衍射仪(XRD)分析热处理后钨合金的结构，Cu靶，Kα辐射。

2 结果与讨论

2.1 两种钨合金镀层热处理后的结合力、显微硬度和元素组成

两种镀层表面光亮、平滑，无针孔和裂纹，锉刀试验后都没有起皮或脱落，说明它们在基体上的附着强度好。从表1可知，Fe-Ni-W镀层中的钨含量比Ni-W-P合金镀层高，但镍含量比后者低。另外，Fe-Ni-W合金镀层的显微硬度比Ni-W-P合金镀层高出约25%。镍钨体系合金镀层的显微硬度与钨含量呈正比，钨含量越高，热处理后镀层的显微硬度也越高[12]。两种镀层元素组成的不同也使得它们在耐磨和耐蚀性方面有一定的差异。

表1 热处理后两种钨合金镀层的元素组成和显微硬度Table 1 Element composition and microhardness of two kinds of tungsten alloy coatings after heat treatment

2.2 两种钨合金镀层热处理后的XRD谱图

图2显示，两种钨合金镀层在摩擦磨损试验后均发生应变疲劳磨损，但Fe-Ni-W合金镀层表面只有轻微而模糊的磨痕以及细而浅的犁沟，Ni-W-P镀层表面则出现严重而清晰的磨痕，有严重的脱落和粘附。与Ni-W-P合金镀层相比，Fe-Ni-W合金镀层含较少的镍和较多的钨，镍的粘着能比铁大，当摩擦热使镍在接触界面与铁粘着时，铁的粘着强度会比镍的粘着强度高[14]，粘着后再拉开时，断裂必将发生在这些金属内部而不是界面处，因而会发生材料的转移，出现粘附现象；相反，由于钨的粘着强度比铁小，即钨界面的粘着强度比铁的粘着强度高，因而不易产生粘着。另外，Fe-Ni-W表面可见微裂纹，可能是由于其内应力过大，而Ni-W-P表面平整，无裂纹。

图1 热处理后两种钨合金镀层的XRD谱图Figure 1 XRD patterns for two kinds of heat-treated tungsten alloy coatings

2.3 摩擦磨损试验结果

从图1可以看出，热处理后的两种镀层都在2θ = 44°附近出现较尖锐的衍射峰，对应Ni(111)晶面；在2θ = 52°附近则均出现较矮的馒头峰，对应Ni(200)晶面。Fe-Ni-W合金在2θ = 76°处出现很弱的衍射峰，对应Ni(220)晶面。两种镀层的XRD谱中都只出现与Ni相近的特征峰，说明两种镀层在结构上都是以Ni作为溶剂，Fe、W 作为溶质的置换性固溶体。钨的原子半径较大，它的存在会导致晶格发生畸变，Ni的一些特征衍射峰减弱[13]。当钨含量达到一定程度后，它所造成的晶格畸变过大，破坏了晶体结构的长程有序性，从而导致镀层向非晶结构转变。Fe-Ni-W合金的特征衍射峰更宽，衍射强度低，这可能是由于其中钨含量较高，热处理后晶化的程度不高，而Ni-W-P合金的衍射峰更尖锐，说明其晶化程度更明显。按Scherrer公式算得两种钨合金镀层的晶粒尺寸在10 ～ 40 nm范围内，具有纳米结构。

图 2 热处理后 Fe-Ni-W(左)和 Ni-W-P(右)合金镀层的磨损形貌Figure 2 Wear morphologies of two kinds of heat-treated Fe-Ni-W (left) and Ni-W-P (right) alloy coatings

电镀 Fe-Ni-W 合金和 Ni-W-P合金的镀液配方均由湖南纳菲尔科技有限公司提供。电镀 Fe-Ni-W合金的配方为：NiSO4·6H2O 22 g/L，FeSO4·7H2O 10 g/L，Na2WO4·2H2O 40 g/L，YC-4 添加剂 10 ～ 80 g/L，pH 7 ～ 8。电镀 Ni-W-P 合金的配方为：NiSO4·6H2O 15 g/L，NaH2PO2·H2O 20 g/L，Na2WO4·2H2O 30 g/L，YC-5202添加剂 10 ～ 80 g/L，pH 7 ～ 8。电流密度均为 8 ～ 10 A/dm2，温度为 75 °C。所用试剂均为工业纯，镀液用去离子水配制。

图3 热处理后两种钨合金镀层的摩擦因数和磨损深度Figure 3 Friction coefficient and wear depth of two kinds of heat-treated tungsten alloy coatings

2.4 耐腐蚀试验结果

从表2可知，两种电镀钨合金的样品都具有较好的耐蚀性，盐雾试验和盐酸浸泡48 h都没有出现锈点，在碱性介质中浸泡96 h几乎没有腐蚀现象。中性盐雾试验或酸性介质浸泡96 h后，Fe-Ni-W合金镀层表面出现锈点，而Ni-W-P镀层没有锈点，依然光亮，说明Ni-W-P合金镀层具有比Fe-Ni-W合金镀层更好的耐蚀性，可能是因为Ni-W-P合金镀层无微裂纹。

表2 热处理后两种钨合金镀层的中性盐雾和浸泡腐蚀试验结果Table 2 Neutral salt spray and immersion test results two kinds of heat-treated tungsten alloy coatings

2.5 成本分析

采用锉刀法定性检验镀层与基体的结合力[10]：将Fe-Ni-W和Ni-W-P镀件夹在台钳上，用粗齿锉刀挫镀件的边棱，挫动的方向是从基体至镀层，锉刀与镀层表面约呈45°角。

3 结论

在有润滑介质存在的情况下，Fe-Ni-W合金镀层的耐磨性稍优于Ni-W-P合金镀层，但Ni-W-P合金镀层的耐蚀性明显强于Fe-Ni-W合金镀层，这可能与Fe-Ni-W镀层有微裂纹有关。因此，在试制和生产中，液压缸活塞杆大部分采用Ni-W-P电镀工艺，以提高防腐和耐磨性能，从而延长使用寿命。

式中：QL为热对流的传热量；α为对流换热系数；A0为对流散热面积；TN为热源温度；Tf为内部气隙温度，近似等于外壳内表面温度。则对流热传递的热阻RL可通过所传递的对流热量和内部导体与外壳金属部分内表面之间的温差表示：

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[ 编辑：周新莉 ]

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Comparison of wear and corrosion resistance of iron-nickel-tungsten and nickel-tungsten-phosphorus alloy coatings electroplated on hydraulic piston rod

ZHANG Qing-fang*, LEI Tong-xin

TQ153.2

A

1004 - 227X (2017) 17 - 0932 - 04

2017-05-02

2017-08-26

张青芳（1985-），女，湖南岳阳人，讲师，主要研究方向为电化学分析，

作者联系方式：(E-mail) 187364593@qq.com。

10.19289/j.1004-227x.2017.17.007