热处理温度对网球拍用钛合金表面Ni-P合金镀层性能的影响

(西安体育学院,西安 710016)

随着网球运动的不断发展，现有材料已不能满足网球运动员对网球拍强度、韧性的要求，探究新的网球拍用材料也成了研究的热点。钛合金密度小，比强度高，力学性能优异，非常契合高级网球拍的使用要求[1]。但是钛及钛合金硬度较低、耐磨性能差，限制了钛及钛合金的应用[2-3]。选择适当的工艺，在钛及钛合金表面获得结合力良好的Ni-P镀层[4-5]，可以改善钛合金耐磨性差及硬度低等问题。

本工作采用化学镀方法在钛合金基体表面制取Ni-P合金镀层,并对合金镀层进行了不同温度的热处理。通过扫描电镜和X射线衍射仪表征了Ni-P合金镀层的表面形貌和相组成，并对镀层硬度和摩擦因数进行了检测和分析。

1 试验

1.1 镀层制备

选取Ti-6Al-4V钛合金为基体材料,将其线切割成25 mm×15 mm×2 mm的试片，用细砂纸打磨试片，然后在乙酸乙酯中进行超声除油，再用氢氟酸硝酸溶液去除试片表面氧化皮。完成以上前处理后，将试片置于Ni-P合金镀液中进行化学镀,施镀时间为2 h,镀液温度为88 ℃。化学镀结束后，取出试片，用水冲洗干净，然后将表面镀覆Ni-P合金镀层的试片分别在300,350,400,450 ℃及真空(真空度0.1 Pa)条件下热处理2 h。

Ni-P合金镀液由30 g/L硫酸镍、30 g/L次亚磷酸纳、20 g/L柠檬酸纳、20 g/L谷氨酸组成，向镀液中加入适宜的络合剂与缓冲剂，并用氨水调节其pH至5。

1.2 镀层的性能测试

采用MS-2600型扫描电子显微镜(SEM)对Ni-P合金镀层的形貌及组织结构进行观察；采用D8-Advance型X-射线衍射仪(XRD)确定Ni-P合金镀层的相组成；采用401MVD型显微维氏硬度计测量Ni-P合金镀层的显微维氏硬度，载荷4.9 N，保压时间15 s，结果取5次测试的平均值。采用兰州中科凯华公司研制的MS-T3000型摩擦磨损试验仪测试Ni-P合金镀层的摩擦因数。对磨副采用SiN球，载荷为1.96 N，转速为500 r/min，磨损时间为30 min。

2 结果与讨论

2.1 镀层的表面形貌与成分

Ni-P合金镀层的表面形貌如图1所示。从图1中可以看出,镀层的表面形貌良好，无裂纹、鼓泡等现象，镀层结构致密均匀。

图1 Ni-P合金镀层的表面形貌Fig. 1 Surface morphology of the Ni-P alloy coating

Ni-P合金镀层的截面形貌如图2所示。从图2可以看到:Ti-6Al-4V基体表面经过刻蚀凹凸不平，与镀层犬牙交错，界面处结合紧密、无缺陷,与文献[6]结果一致；镀层厚度均匀，为14.2～14.4 μm。

图2 Ni-P合金镀层的截面形貌Fig. 2Cross-section morphology of the Ni-P alloy coating

2.2 镀层的相组成

图3为热处理后Ni-P合金镀层的相组成。从图3中可以看到：在300 ℃热处理后，镀层的XRD谱中出现Ni以及Ni5P4的衍射峰，未发现Ni3P的衍射峰，这表明镀层中开始出现晶体结构，Ni-P合金开始晶化，除了析出镍固溶体外，绝大部分转化为亚稳态的Ni5P4；在350 ℃热处理后，镀层中出现了Ni3P的衍射峰，但是Ni5P4的衍射峰仍然很强，这说明在350 ℃热处理过程中，镀层中部分Ni5P4开始转化为稳定的Ni3P相；在400 ℃热处理后，镀层XRD谱中只有Ni3P的衍射峰，未发现Ni5P4的衍射峰，这说明Ni5P4已经完全转化为Ni3P，此时合金镀层结构已由未经热处理时的非晶态(见图4)完全转变为高度弥散的Ni3P相[7]；在450 ℃热处理后，镀层也只有Ni3P存在，但Ni3P颗粒开始聚集长大。

图3 不同温度热处理2 h后Ni-P合金镀层的XRD谱Fig. 3 XRD patterns of Ni-P alloy coating after 2 h heat treatment at different temperatures

图4 热处理前Ni-P合金镀层的XRD谱Fig. 4 XRD pattern of Ni-P alloy coating before heat treatment

2.3 镀层的显微硬度和耐磨性能

图5为不同温度热处理后Ni-P合金镀层的显微硬度。从图5中可以看出：随热处理温度的升高，镀层的显微硬度先小幅增大，后大幅增大，再小幅减小。镀层显微硬度的变化与镀层中的相结构密切相关。300 ℃热处理后，镀层开始发生从非晶态转变成亚稳态的Ni5P4，没有出现硬质相Ni3P;350 ℃热处理后，镀层中部分Ni5P4转变为Ni3P，因此显微硬度小幅增大；400 ℃热处理后，镀层中的Ni5P4完全转变成Ni3P硬质相，故此时镀层的显微硬度大幅增大；450 ℃热处理后，虽然镀层也全部由Ni3P相组成，但Ni3P颗粒聚集长大，因此与400 ℃热处理后镀层相比，显微硬度会略微降低。

图5 Ni-P镀层的显微维氏硬度随热处理温度的变化Fig. 5 The hardness of Ni-P alloy coating after heat treatment at different temperatures

对不同温度热处理后Ni-P合金镀层的摩擦磨损试验结果进行统计，并列于表1中。从表1中可以看出：随着热处理温度升高，镀层的摩擦因数和磨损量都呈现先降低后升高的趋势，且都在热处理温度为400 ℃达到最低值，分别为0.3和0.002 5 g。这是因为镀层的耐磨性能主要取决于硬度，硬度越大，耐磨性能越好。因此，随着热处理温度的升高，镀层的显微硬度逐渐增大，耐磨性能提高；当热处理温度达到400 ℃时，其显微硬度最大，耐磨性能也最好；温度继续升高，镀层中弥散的Ni3P相开始慢慢聚集长大，显微硬度降低，耐磨性能也随之降低。

表1 不同温度热处理后Ni-P合金镀层的摩擦因数及磨损量Tab. 1 The friction coefficient and wear loss of Ni-P alloy coating after heat treatment at different temperatures

3 结论

(1) 通过化学镀在Ti-6Al-4V基体表面制备了与基体结合强度良好的Ni-P合金镀层。

(2) 热处理可以直接影响Ni-P合金镀层的相组成。300 ℃热处理后，镀层中已经出现晶体结构，合金开始晶化，大部分Ni-P合金从非晶态转化为亚稳定的Ni5P4相。经400 ℃热处理后，合金镀层结构已由非晶态完全转变为高度弥散的稳定Ni3P相。

(3) 热处理温度400 ℃时，Ni-P合金镀层的显微硬度最高，达到910 HV，耐磨性最好。

参考文献：

[1] 吴全兴. 钛制网球拍[J]. 稀有金属材料与工程,1992,21:68.

[2] RAO C R K,PUSHPAVANAM M. Electroless deposition of platinum on titanium substrates[J]. Materials Chemistry and Physics,2001,68(1/3):62-65.

[3] POONDLA N,SRIVATSAN T S,PATNAIK A,et al. A study of the microstructure and hardness of two titanium alloys:commercially pure and Ti-6Al-4V[J]. Journal of Alloys and Compounds,2009,486(1/2):162.

[4] RAMASESHAN R,SESHADRI S K,NAI N G. Electroless nickel-phosphorus coating on Ti and Al elemental powders[J]. Scripta Materialia,2001,45(5):183-189.

[5] 王加柱. 铸铁内孔化学镀Ni-P合金[J]. 材料保护,1993,26(5):41-42.

[6] 唐恩军,刘智,赵云强. 钛合金化学镀Ni-P合金工艺的研究[J]. 电镀与环保,2003,23(4):21-22.

[7] 洪波,姜传海,王新建,等. Ni-P非晶薄膜晶化相与相变动力学的XRD分析[J]. 金属学报,2006,42(7):699-702.