镍-钨-磷-氮化硅化学复合镀层的摩擦磨损性能

2021-04-01牛毅刘文龙刘畅刘贯军

河南科技学院学报(自然科学版) 2021年2期

牛毅,刘文龙,刘畅,刘贯军

（1.河南科技学院高等职业技术学院,河南辉县453600；2.鹤壁市机电信息工程学校,河南鹤壁458000；3.河南科技学院机电学院,河南新乡453003）

高速钢是金属加工常用的刀具材料,高速钢刀具切削刃的磨损和钝化严重影响其使用寿命,而磨损和钝化的主要原因就是摩擦因数和磨损率较大.为了提高高速钢刀具的耐用度,通常采用物理气相沉积（PVD）法在刀具表面制备不同的保护层[1-3].虽然PVD层性能良好,但生产成本高,一般中小型机械加工厂很少使用.化学镀镍层因具有优良的物理、化学和力学性能并且制备工艺简单而被广泛应用于不同零件[4-6],但作为金属切削刀具镀层使用时,目前化学镀层的力学性能与PVD涂层相比差距还很大.不过随着研究的深入,化学镀层的性能有很大的提升空间,如Ni-W-P三元合金镀层就比Ni-P二元合金镀层有更高的硬度和耐磨性[7-11].另有研究表明,在Ni-W-P三元合金镀层中引入硬质颗粒作为增强相,对提升复合镀层的综合性能有重要作用[9-14].相比于其他常用陶瓷颗粒（如Al2O3、SiC等）,Si3N4颗粒具有优良的减摩性能,因此成为本研究复合镀层中的首选增强相.为了探索Ni-W-P-Si3N4三元合金复合镀层作为高速钢刀具镀层的可能性,本文系统地研究了该复合镀层的摩擦磨损性能.

1 材料与方法

1.1 化学镀工艺

基体材料为40 mm×25 mm×2 mm的Q215冷轧钢板,先后在80℃中除油剂（NaOH质量浓度为70 g/L,Na2CO3质量浓度为20 g/L,Na3PO4·12H2O质量浓度为15 g/L,Na2SiO3质量浓度为5 g/L）中除油5 min、清水冲洗和在10%的稀盐酸中常温酸洗活化1 min、清水冲洗、去离子水冲洗后,放入相应的化学镀液中,分别在其表面制备厚度为25～30μm的Ni-W-P合金镀层和Ni-W-P-Si3N4复合镀层.

Ni-W-P化学镀液组分[8]为：NiSO4·6H2O质量浓度为20 g/L,NaH2PO2质量浓度为25 g/L,Na3C6H5O7·2H2O质量浓度为35 g/L,C2H3NaO2质量浓度为20 g/L,Na2WO4·2H2O质量浓度为35 g/L,十二烷基硫酸钠（SDS）质量浓度为0.02 g/L,添加剂适量.在Ni-W-P化学镀液中加入质量浓度为2 g/L平均粒径为0.85μm的Si3N4微粒后,同时用玻璃棒搅拌并进行超声波分散10 min即得Ni-W-P-Si3N4复合镀液.Ni-W-P和Ni-W-P-Si3N4施镀工艺条件均为：pH值8.0～8.5,温度86～90℃,时间2 h.

1.2 性能检测

采用美国FEIQuanta200型扫描电子显微镜（SEM）及其附带的能谱仪（EDS）观察镀层形貌和分析镀层成分,采用德国产莱卡金相显微镜对摩擦面进行观察分析,采用德国VMHT-002V型显微硬度计测量镀层的显微硬度（载荷为100 g,保压时间15 s）,对每个样品测量5个点,分别去掉最大值和最小值后,取剩余3个测量值的平均值.

采用兰州华汇MS-T3000型球盘式摩擦磨损试验仪,分别在载荷为200 g、400 g和600 g,滑动速率分别为15 m/min、20 m/min和25 m/min（对应转速分别为398 r/min、530 r/min和663 r/min）,滑动摩擦200 m（旋转半径为6 mm,共旋转5 307 r）的条件下对Ni-W-P合金镀层和Ni-W-P-Si3N4复合镀层进行摩擦磨损试验,以研究它们在不同条件下的耐磨和减摩行为,对磨件为直径4 mm的Al2O3磨球,镀层的摩擦因数由仪器直接读出,磨损率以单位滑动距离上试样摩擦前后的质量损失来计算.

2 结果与讨论

2.1 Ni-W-P-Si3N4复合镀层在不同载荷和滑动速率下的摩擦因数

图1 载荷A和滑动速率B不同时Ni-W-P-Si3N4复合镀层的摩擦因数曲线Fig.1 Friction factor curveof Ni-W-P-Si3N4composite coatingwhen load and sliding speed change

载荷和滑动速率不同时,Ni-W-P-Si3N4复合镀层的摩擦因数曲线见图1.

从图1-A可以看到,载荷从200 g增大到600 g,复合镀层与Al2O3磨球间的摩擦因数也相应增大.这一点对Ni-W-P-Si3N4复合镀层在麻花钻上的应用有指导意义.说明在实际工况（钻削）下,Ni-W-P-Si3N4复合镀层更适合用作小直径麻花钻的耐磨镀层,因为直径小,完成钻削所需加载力就小,镀层对应的摩擦因数就小,刀具就越耐用.

从图1-A中还可以看出,在大载荷条件下,摩擦进入稳定阶段所需过渡时间（即滑动距离）较长,并且过渡时间（滑动距离）与滑动速率也有关.如图1-B所示,载荷一定时,滑动速率由15 m/min增大至25 m/min时,复合镀层的摩擦因数增大,摩擦进入稳定期所用时间缩短,滑动速率为15 m/min和25 m/min时进入稳定摩擦的过渡滑动距离分别约为50 m和25 m,前者进入稳定摩擦的距离是后者的2倍.这是由于滑动速率的增大导致摩擦面温度升的更高,复合镀层中的基体相Ni-W-P合金的塑性增大,导致镀层表面粗糙度快速减小,从而进入摩擦稳定期.

2.2 Ni-W-P-Si3N4复合镀层与Ni-W-P合金镀层摩擦因数比较

Ni-W-P合金镀层和Ni-W-P-Si3N4复合镀层在不同条件下的摩擦因数见表1.

表1 Ni-W-P合金镀层和Ni-W-P-Si3N4复合镀层在不同条件下的摩擦因数Tab.1 Friction factor of Ni-W-Pcoating and Ni-W-P-Si3N4 compositecoating under different conditions

从表1可知,当滑动速率一定时,载荷由200 g增大到600 g时,Ni-W-P合金和Ni-W-P-Si3N4复合镀层的摩擦因数都增大.在载荷一定时,随着滑动速率增大,Ni-W-P-Si3N4复合镀层的摩擦因数持续增大,而Ni-W-P合金镀层的摩擦因素则先增大后减小,即在20 m/min的滑动速率下其摩擦因数最大.另外,在相同摩擦条件下,Ni-W-P-Si3N4复合镀层的摩擦因数比Ni-W-P合金镀层小.这可能与以下两种因素有关：一是Ni-W-P-Si3N4复合镀层的显微硬度（650 HV）高于Ni-W-P合金镀层的显微硬度（560 HV）,在摩擦过程中的变形量小,与对磨件的接触面积也较小；二是复合镀层中存在具有减摩作用的Si3N4颗粒,减小了复合镀层的摩擦阻力.

2.3 Ni-W-P-Si3N4复合镀层与Ni-W-P合金镀层磨损率比较

Ni-W-P合金镀层和Ni-W-P-Si3N4复合镀层在不同摩擦条件下的磨损率见表2.

表2 Ni-W-P合金镀层和Ni-W-P-Si3N4复合镀层在不同条件下的磨损率Tab.2 Wear rateof Ni-W-Pcoatingand Ni-W-P-Si3N4 composite coating under different conditions

从表2可以看出,当滑动速率一定而载荷增大,两种镀层的磨损率都增大.载荷一定时,两种镀层的磨损率和滑动速率的变化趋势与摩擦因数的变化趋势一样,Ni-W-P镀层的磨损率先增大后减小.其原因可能因滑动速率变化,导致镀层摩擦接触面的加工硬化程度不同进而引起镀层硬度变化.在滑动速率≤20 m/min时,随滑动速率增大,摩擦热增大,接触面温度升高,合金镀层的强度和硬度降低,塑性变形增大,导致摩擦的接触面积增大,摩擦因数和磨损率随之增大；继续增大滑动速率到25 m/min时,摩擦面变形量增加到诱发材料发生加工硬化的程度,致使摩擦面的硬度升高,变形量减小,最终导致摩擦因数和磨损率变小.但是,Ni-W-P-Si3N4复合镀层的磨损率却不像Ni-W-P合金镀层那样先增大后减小,而是一直增大,这符合传统的摩擦磨损规律.由于Si3N4颗粒的存在,当滑动速度增大时,摩擦会对复合镀层中Si3N4颗粒物的冲击力增大,当其增大到超过Si3N4颗粒物与Ni-W-P合金基体相之间的结合力时,将导致颗粒物的脱落,因而磨损率增大.

从表2还可以看出,在相同摩擦条件下,Ni-W-P-Si3N4复合镀层的磨损率均比Ni-W-P镀层小.这仍然缘于Ni-W-P-Si3N4复合镀层中的Si3N4颗粒,其硬度比Ni-W-P合金镀层的硬度高,在相同载荷产生的压力作用下摩擦面产生的弹性变形量或者塑性变形量就小,与对磨件的接触面就小,因而摩擦因数和磨损率就小,另外,Si3N4硬质颗粒的减摩作用也是原因之一.

Ni-W-P镀层与Ni-W-P-Si3N4复合镀层分别在滑动速率为20 m/min和不同载荷下的磨损形貌如图2所示.