镍磷基镀层耐磨性的影响因素

2018-02-18袁皓叶雄唐振

机械工程师 2018年10期

袁皓，叶雄，唐振

（陆军装甲兵学院，北京 100072）

0 引言

Ni-P基镀层具有高硬度、高耐磨性及较好的耐蚀性等优异的性能[1]，应用十分广泛。然而在现代社会的发展过程中，对Ni-P基镀层及其复合镀层提出了越来越高的要求。Ni-P基镀层耐磨性是衡量镀层性能的重要指标。本文主要概述了几种影响Ni-P基镀层耐磨性的主要因素。

1 镀层化学成分的影响

1.1 P含量的影响

镍磷镀层中的P含量可通过调整制备工艺来控制，而不同P含量又导致镀层的组织结构不同，如非晶、纳米晶或者混合晶等[2-3]。利用化学镀方法制备的Ni-P镀层中P含量就对镀层结构有这样的影响：镀层呈现晶态（1%～6%）→混晶态（微晶+非晶）（6%～9%）→非晶态（9%～15%）[4]。复合镀层中P含量较低时存在压应力，镀层磨损量较低。P含量较高时存在拉应力，镀层脆性脱落严重，磨损量增大。对于Ni-P镀层，随着镀层中P含量的增大，拉应力逐渐增大，磨损加剧。而P含量较低时，表现为黏着磨损[5]。镀层组织结构按规律转变时，硬度逐渐下降，而镀态镀层耐磨性一般会随着硬度的降低而被削弱，所以P含量的提高会降低镀态镀层的耐磨性[6-9]。

1.2 其他元素的影响

加入其他化学元素有利于提高Ni-P镀层的耐磨性，如W、Cr、Fe、Co，以及Cu元素等。Palaniappa M等[10]在Ni-P镀层中加入W元素，发现W元素可提高镀层的高温耐磨性。这是因为W元素抑制Ni3P相的析出，Ni3P相较为细小，进一步又抑制Ni晶粒的长大，导致镀层的晶粒细小，组织结构均匀致密，从而其硬度以及耐磨性大幅改善。然而有研究表明[11]，W元素不是越高越好。例如在铝基体上化学镀Ni-W-P时，W含量会导致镀层破裂甚至剥落。这是由于铝基体的热膨胀系数与镀层的不同，铝基体内部存在张应力，而镀层内部存在压应力，W的加入进一步导致内应力的增大，导致镀层开裂甚至剥落，镀层的耐磨性随之下降。也有研究发现，稀土元素会导致Ni-P镀层耐磨性下降，究其原因，稀土元素导致镀层的硬度下降，耐磨性随之下降[12]。

1.3 第二相颗粒的影响

第二相颗粒也可提高Ni-P镀层的耐磨性，如Al2O3颗粒和SiC颗粒等。王兰等[13]研究发现，在Ni-P镀层中加入SiC颗粒后，可促使润滑油膜的形成。同时SiC颗粒在镀层中弥散分布，可以提高镀层的耐磨性。顿爱欢等[14]的研究结果表明，Al2O3颗粒不仅可以起到弥散强化的作用，并且在镀层晶化过程中，可增加镀层晶体形核率，同时还能抑制晶粒生长，使得镀层的晶粒细小，进一步导致镀层耐磨性得到了提高。金亚旭等[15]的研究发现，加入了钛酸钾的镀层比Ni-P镀层的耐磨性要好。因为Ni-P-PTW镀层的“镶嵌-包埋”结构有利于磨损过程中的自动补偿。即在磨损过程中，凸起的钛酸钾晶须被削断，从镀层上脱落下来，填充到凹凸不平的镀层表面上去，使得两摩擦副之间有一层致密的保护膜，阻断了两摩擦副的直接接触。同时钛酸钾晶须自身高强高韧性以及塑变抗力，可起到“滚珠轴承”作用，提高了镀层的耐磨性。

2 镀层与基体间结合力的影响

Ni-W-P镀层经过热处理后，镀层与基体之间会形成扩散层，这层扩散层有增强镀层与基体结合力的作用，进而提高镀层的耐磨性[16-17]。分析后认为，镀层与基体的交界处形成了Ni-Fe合金扩散层，增强了镀层与基体间的结合力，同时镀层内部的孔洞数量减少，镀层更加致密[18]，从而使镀层的耐磨性得到了提高。胡永俊等[11]在铝基体上电沉积Ni-W-P后，又对其进行热处理，发现较低温度（200℃）的热处理不能使镀层与基体之间形成扩散层，而高于400℃以上时，会形成包含Ni和Al的中间化合物的扩散层。从而提高了界面结合力，改善了镀层的耐磨性。Tsai Y Y等[19]的研究结果表明，Ni-W-P镀层裂纹的尺寸和数量都较Ni-P镀层的少，因此其耐磨性也较好。

3 镀层硬度的影响

硬度可直接影响Ni-P基镀层的耐磨性，这是因为Ni-P基镀层中一般含有Ni3P相，Ni3P对镀层具有弥散强化的作用，并且对Ni晶体具有固溶强化的作用，硬度高的镀层耐磨性好[20-21]。有研究表明[4]：镀态为非晶态结构的合金镀层，在Ni3P相析出之前，镀层硬度较低，耐磨性较差。对镀层进行晶化处理后，若镀层中仍有较多的非晶相，虽然Ni3P相硬度高，但由于非晶相硬度较低，使得基体对强化相Ni3P支撑不足，仍然会使镀层的耐磨性较差。当强化相Ni3P晶粒细小、均匀地分布在晶态的Ni基体中时，镀层的整体硬度提高，同时给予强化相Ni3P足够的支撑，从而最大程度地发挥镀层的耐磨性。

4 激光处理的影响

对Ni-P基镀层进行激光扫描，可以使得镀层析出Ni3P相、发生晶化等，致使镀层的耐磨性得到提高。不同参数的激光对镀层的影响也不同，当激光扫描速度较慢时，外界对镀层的入射能量较大，镀层中会析出Ni3P相，而且一旦析出便会聚集以及长大等，镀层中晶粒就会发生粗化，镀层的耐磨性较差，反之亦然[22]。研究者发现激光处理对镀层的处理效果优于热处理的效果，这是由于激光的能量密度很高，对镀层进行处理时，镀层内析出的Ni3P相比热处理的要多，而且尺寸较热处理后的小，造成镀层中更大的晶格畸变，镀层的耐磨性提高[23]。

5 热处理的影响

谢维立等[24]发现经180℃热处理的试样耐磨性最好。人们对热处理过程中Ni-P镀层的相变行为进行了大量的研究，通常认为，热处理能够使得镀层析出Ni3P，是Ni-P镀层表面显微硬度得到提高的主要机制，从而改善镀层的硬度，进而镀层的耐磨性得到提高[25-26]。郑晓华等[27]发现，微晶结构的Ni-P合金镀层经过400℃热处理后，镀层硬度达到最大值，此时的镀层耐磨性最优。王文昌、王丽丽等[28-29]对非晶态Ni-P镀层热处理，结果表明，热处理显著提高镀层的耐磨性，但是热处理时间对镀层耐磨性的影响很小。还有研究发现，镀层耐磨性随着退火温度的升高而提升[30-31]。王政君等[32]在不同的热处理温度下加热Ni-P镀层，结果表明经500℃热处理后，镀层由非晶态转变为晶态，同时Ni3P相析出，镀层的耐磨性显著提高。

6 搅拌方式的影响

制备Ni-P基复合镀层时，通常所用的搅拌方式有超声搅拌和机械搅拌，实验研究表明，混合搅拌方式的效果优于单一搅拌方式[33]。超声搅拌有利于颗粒在镀层中的均匀分布，但是过强的超声搅拌会导致颗粒无法有效地复合到镀层中，导致颗粒含量较低，镀层的耐磨性较差。混合搅拌兼容了机械搅拌和超声搅拌的优点，既能提高镀层中颗粒的分布均匀性，同时还能提高颗粒含量，能够进一步提高镀层的耐磨性。复合镀层在磨损过程中，首先是镍磷镀层脱落，之后镀层内部的颗粒开始显露，起到支撑载荷的作用，即提高镀层内部的颗粒含量和均匀性有利于提高镀层的耐磨性。