謝 宇 玲

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007)

1 引言

腐蝕磨損(Corrosive wear)又稱磨蝕或摩耗腐蝕[1]，是指在腐蝕性介質(zhì)中摩擦表面與介質(zhì)發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生材料流失的現(xiàn)象。腐蝕磨損現(xiàn)象廣泛存在各種機(jī)械設(shè)備中，如水輪機(jī)、泵、閥、管道、噴嘴等部件，給國(guó)民經(jīng)濟(jì)帶來(lái)了巨大損失[2]。材料在腐蝕磨損條件下，一方面由于介質(zhì)的腐蝕作用，使材料表面性能惡化，增加了材料的機(jī)械磨損；另一方面在機(jī)械磨損條件下，又會(huì)使腐蝕速度大為增大[3]。即在腐蝕磨損過(guò)程中既有機(jī)械因素又有電化學(xué)因素，同時(shí)還有二者的交互作用。這種交互作用對(duì)材料的破壞比單純腐蝕與單純磨損之和大得多，從而加速材料的過(guò)早破壞與流失[4～6]。由于問(wèn)題復(fù)雜、影響因素眾多，人們對(duì)腐蝕磨損的研究起步較晚。腐蝕和磨損都是發(fā)生在機(jī)件表面的材料流失過(guò)程。如果在這些機(jī)器零部件表面沉積上可耐腐蝕磨損的鍍層，則可提高機(jī)器零部件的表面性能，延長(zhǎng)設(shè)備的使用壽命。Ni-Co合金鍍層兼具耐蝕性和耐磨性[7～11]。因此，本文采用脈沖電沉積方法制備納米晶Ni-Co合金鍍層，研究了鍍層在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蝕磨損規(guī)律，為拓寬納米晶鍍層的應(yīng)用提供理論參考。

2 試驗(yàn)方法

本文采用脈沖電沉積的方法制備納米晶Ni-Co合金。陽(yáng)極使用純度為99.99%的可溶性鎳板，陰極為不銹鋼板。鍍液組成為：Ni(SO3NH2)2·4H2O(300～500g/l)，NiCl2(18～20g/l)，CoCl2·6H2O(2～80g/l)，2CoCO33Co(OH)2·6H2O(0～80g/l)，NH2SO3H(0～120g/l)，以硼酸(30g/l)作為pH緩沖劑，十二烷基硫酸鈉(0.1g/l)作為潤(rùn)濕劑，糖精(2.5g/l)作為應(yīng)力減緩劑和晶粒細(xì)化劑。實(shí)驗(yàn)中所用藥品均為分析純，鍍液用去離子水配制。鍍液的pH值控制在3～3.5，沉積溫度60℃，采用磁力攪拌器攪拌。脈沖電源為SMD-30型數(shù)控雙脈沖電鍍電源，電流密度為(5～10)A/dm2，占空比為50%，周期為10ms。陰陽(yáng)極板間的距離為4cm，沉積時(shí)間3h。電沉積后將鍍層從基體上機(jī)械剝離，獲得50mm×40mm×0.1mm的薄片試樣。

用HX-1000型維氏顯微硬度計(jì)測(cè)定鍍層硬度值。采用TEM觀察鍍層組織結(jié)構(gòu)。用EDS分析鍍層成分。

采用CHI660C型電化學(xué)工作站分別測(cè)定不同含Co量的納米晶Ni-Co合金鍍層在兩種腐蝕溶液中的極化曲線。

腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)在自制的腐蝕磨損試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，利用失重法評(píng)定鍍層的耐腐蝕磨損性能。采用感量為0.1mg的分析天平稱量腐蝕磨損前后試樣的質(zhì)量，計(jì)算質(zhì)量損失，單位為mg/h。腐蝕磨損原理如圖1所示。

腐蝕磨損實(shí)驗(yàn)參數(shù)為：

載荷：30N

滑動(dòng)速度：0.5m/s

磨損時(shí)間：1h

腐蝕介質(zhì)：3.5wt.% NaCl溶液

采用XL30 ESEM-TMP型環(huán)境掃描電鏡觀察鍍層表面形貌進(jìn)行高倍觀察，并拍攝鍍層形貌。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 鍍層的化學(xué)成分、微觀組織結(jié)構(gòu)和硬度

經(jīng)EDS測(cè)定，本實(shí)驗(yàn)制備的鍍層的化學(xué)成分范圍為Ni-2.20～75.54%Co。各鍍層顯微硬度如表1所示。由表1可見(jiàn)納米晶Ni-Co合金鍍層的顯微硬度隨著含Co量的增加而增大。其原因可能是由于晶粒尺寸的減小、Co元素產(chǎn)生的固溶強(qiáng)化和Co元素引入時(shí)產(chǎn)生的晶格畸變。

表1 納米晶Ni-Co合金鍍層的晶粒尺寸及顯微硬度

對(duì)沉積層進(jìn)行TEM分析，以了解電沉積Ni-Co合金鍍層的組織結(jié)構(gòu)。圖2為鍍態(tài)下4種成分Ni-Co合金鍍層的TEM明場(chǎng)像。由圖可見(jiàn)，本實(shí)驗(yàn)條件下制備的Ni-Co合金鍍層均為納米晶且晶粒大小均勻，大多數(shù)為等軸晶，晶內(nèi)無(wú)明顯位錯(cuò)。大多數(shù)晶粒呈淺灰色，且色彩對(duì)比度相近，僅少數(shù)晶粒呈黑色，表明4種成分的Ni-Co合金鍍層的晶粒均接近隨機(jī)取向生長(zhǎng)。同時(shí)，從圖中還可明顯觀察到，Ni-Co合金鍍層的晶粒尺寸隨含Co量的增加而逐漸減小?？梢?jiàn)，Co元素有一定細(xì)晶作用。

3.2 納米晶Ni-Co合金鍍層在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蝕性能

鍍層在3.5wt.% NaCl溶液中的極化曲線如圖4所示。由圖可見(jiàn)，4種鍍層在3.5wt.% NaCl溶液中都具有比較明顯的鈍化區(qū)域。通過(guò)Tafel外推法獲得材料在NaCl溶液中的自腐蝕電位(Ecorr)和腐蝕電流密度(icorr)列于表2中。由表可知，當(dāng)Co含量低于75%時(shí)，隨著Co含量的增加，自腐蝕電位不斷正移，腐蝕電流密度逐漸減小。當(dāng)Co含量達(dá)到75%時(shí)，合金鍍層的自腐蝕電位出現(xiàn)負(fù)移，腐蝕電流密度變大，耐腐蝕性降低。這表明Co的引入有助于提高合金鍍層的耐腐蝕性，并且在一定的Co含量范圍內(nèi)，隨著Co含量的增大，合金鍍層的耐腐蝕性逐漸提高。

表2 Ni-Co合金鍍層在3.5wt.%NaCl溶液中自腐蝕電位Ecorr和腐蝕電流密度icorr

3.3 納米晶Ni-Co合金鍍層在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蝕磨損性能

納米晶Ni-Co合金在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蝕磨損率如圖4所示。從圖中可看出，納米晶Ni-Co合金鍍層的腐蝕磨損失重率隨著Co含量的增加呈現(xiàn)先降低后升高的趨勢(shì)。其腐蝕磨損趨勢(shì)與在3.5wt.%NaCl溶液中電化學(xué)腐蝕規(guī)律一致。

3.4 納米晶Ni-Co合金鍍層的腐蝕磨損形貌

從腐蝕磨損表面(圖5)可以清楚的看到，Ni-40.72%Co和Ni-75.54%Co合金鍍層表面僅有沿滑動(dòng)方向的微切削痕跡，沒(méi)有出現(xiàn)粘著磨損和剝落跡象。這主要有兩方面原因，一方面是因?yàn)镹i-Co合金鍍層的硬度較高，4個(gè)成分的合金鍍層的顯微硬度均在370HV以上。在本實(shí)驗(yàn)條件下，材料表面不易在剪應(yīng)力作用下被撕裂而產(chǎn)生粘著磨損；另一方面，由于腐蝕介質(zhì)的潤(rùn)滑和降溫作用，使磨蝕過(guò)程中摩擦副表面溫度不易升高，表面原子不易擴(kuò)散，在較低載荷作用下摩擦副之間不發(fā)生表面焊合。故在Ni-Co合金的磨蝕表面觀察不到粘著磨損現(xiàn)象。

圖5(a)為Ni-40.72%Co在3.5wt.%NaCl溶液中的腐蝕磨損形貌。如圖所示，Ni-40.72%Co合金磨損表面呈現(xiàn)明顯的犁溝磨痕，這是磨粒磨損的明顯特征。發(fā)生磨粒磨損可能是由于腐蝕產(chǎn)物在法向壓應(yīng)力作用下從鍍層表面剝落，進(jìn)入腐蝕液中，成為磨粒。當(dāng)摩擦副材料相互接觸時(shí)，磨粒又在法向壓應(yīng)力作用下壓入鍍層表面，形成壓痕。然后在切應(yīng)力作用下，磨粒向前推進(jìn)，對(duì)表面進(jìn)行切削，從而在表面形成犁溝。

如圖5(b)所示，除了典型的犁溝磨痕外，在Ni-75.54%Co合金鍍層的磨蝕表面還出現(xiàn)了許多腐蝕坑。這可能是由于在腐蝕磨損過(guò)程中，由于磨料的磨擦可迅速除去表面疏松的腐蝕產(chǎn)物，從而露出新鮮的金屬表面，加速了腐蝕過(guò)程。另外，由于磨料的磨擦使鍍層表面產(chǎn)生塑性變形。這些具有較高的位錯(cuò)密度的變形區(qū)在腐蝕過(guò)程中將成為陽(yáng)極,其他部位成為陰極，構(gòu)成“應(yīng)變差電池”，從而增大了腐蝕活性。同時(shí)，磨損加劇摩擦副表面的凸凹不平, 增加了腐蝕作用的微觀表面積，導(dǎo)致腐蝕加快。故在耐蝕性較差的Ni-75.54%Co合金鍍層磨蝕表面可以觀察到腐蝕坑的存在。而Ni-40.72%Co合金鍍層在3.5wt.%NaCl溶液中的耐蝕性比Ni-75.54%Co的高，故在Ni-40.72%Co合金鍍層的磨蝕表面觀察不到腐蝕坑。

4 結(jié)論

(1)隨鍍層含Co量的增加，Ni-Co合金鍍層的晶粒尺寸逐漸減小，顯微硬度值逐漸增大。

(2)在3.5wt.%NaCl溶液中，所有的Ni-Co合金鍍層都具有較好的耐蝕性，且耐蝕性隨鍍層含Co量的增加呈先上升后下降的趨勢(shì)。

(3)在3.5wt.%NaCl溶液中，Ni-Co合金鍍層的腐蝕磨損率隨鍍層含Co量的增加先降低后升高。其中，Ni-40.72%Co合金鍍層具有最低的腐蝕磨損率。Ni-Co合金鍍層的腐蝕磨損機(jī)制為磨粒磨損，同時(shí)伴隨腐蝕。

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