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        加熱工藝對(duì)純鈦表面化學(xué)鍍Ni- P鍍層性能的影響

        2018-10-11 05:32:58楊海彧
        上海金屬 2018年5期
        關(guān)鍵詞:工藝

        楊海彧

        (西北有色金屬研究院,陜西 西安 710016)

        鈦及鈦合金具有強(qiáng)度- 質(zhì)量比較高、耐腐蝕性能良好和非磁性及線膨脹系數(shù)小等優(yōu)點(diǎn),被廣泛應(yīng)用于航天航空、兵器、石油、化工、汽車、醫(yī)療器械、艦船等工業(yè)領(lǐng)域[1- 3]。但是,鈦及其合金硬度較低,耐磨性能較差,限制了它的應(yīng)用[4- 5]。

        化學(xué)鍍不需要電源,可用于處理形狀復(fù)雜的工件以及深孔的內(nèi)表面等。Ni- P鍍層均勻性和耐磨耐蝕性好,還具備磁性屏蔽等物化學(xué)性能,硬度與鍍鉻層相當(dāng),可以取代鉻鍍層[6- 8]。因此,采用適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)鍍工藝在鈦及其合金表面制備與基體結(jié)合力良好的Ni- P鍍層,已成為研究的熱點(diǎn)。

        本文研究了純鈦化學(xué)鍍Ni- P鍍層的前處理、鍍覆工藝以及鍍層的加熱工藝。通過掃描電鏡和X射線衍射研究了Ni- P鍍層的表面形貌和相組成,測(cè)定了鍍層的硬度和摩擦因數(shù)。

        1 試驗(yàn)用材料和方法

        1.1 工藝流程

        砂紙打磨—乙酸乙酯超聲除油—HF酸硝酸溶液去除氧化皮—化學(xué)鍍鎳磷鍍層—水洗—加熱。

        1.2 試樣及前處理

        將TA1純鈦片線切割成25 mm×15 mm×2 mm的薄片,用砂紙打磨后,超聲除油,再用HF酸硝酸溶液去除氧化皮。

        1.3 鍍層制備

        Ni- P合金鍍液的成分:氯化鎳50 g/L,氨基磺酸鎳20 g/L,次亞磷酸納20 g/L,檸檬酸10 g/L,乙酸10mL/L,再加入適量的絡(luò)合劑,用氨水調(diào)節(jié)至pH=4.8,溫度85 ℃,施鍍時(shí)間3 h。

        1.4 鍍層加熱

        將Ni- P鍍層分別在300、350、400 和 450 ℃加熱2 h。

        1.5 鍍層性能

        采用6460型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層形貌及其組織;采用D8- Advance型X- 射線衍射儀(XRD)確定鍍層的相組成;采用401MVD型顯微硬度計(jì)測(cè)定鍍層的硬度,試驗(yàn)力100 g,保壓時(shí)間30 s,取5次測(cè)試的平均值。采用MS- T3000型摩擦磨損試驗(yàn)儀測(cè)定鍍層的摩擦因數(shù),對(duì)摩副為Si3N4球,試驗(yàn)力100 g,轉(zhuǎn)速1 000 r/min,磨損時(shí)間30 min。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 鍍層的表面形貌和成分

        Ni- P鍍層的表面形貌如圖1所示。從圖1中可以看出,鍍層的表面狀況良好,無裂紋、鼓泡等缺陷。

        圖1 Ni- P鍍層的表面形貌Fig.1 Appearance of the Ni- P coating

        試樣表面經(jīng)過刻蝕,凹凸不平,與鍍層犬牙交錯(cuò),鍍層與基體的結(jié)合緊密、無缺陷。鍍層厚度均勻,為9.1~9.2 μm。

        2.2 鍍層的相組成

        加熱直接影響Ni- P鍍層的相組成。將施鍍2 h 得到的Ni- P鍍層分別在300、350、400和450 ℃加熱2 h,加熱爐的真空度為10-1Pa。鍍層的XRD圖譜如圖3所示。圖3表明,300 ℃加熱后的鍍層,衍射圖上出現(xiàn)Ni 和Ni5P4衍射峰,未發(fā)現(xiàn)Ni3P,表明鍍層中開始出現(xiàn)晶體組織,Ni- P鍍層開始晶化,除了析出鎳固溶體外,絕大部分轉(zhuǎn)化為亞穩(wěn)定態(tài)的Ni5P4。在350 ℃加熱后,鍍層中出現(xiàn)Ni3P衍射峰,但Ni5P4衍射峰很強(qiáng),Ni3P衍射峰的出現(xiàn)說明部分Ni5P4開始轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的Ni3P相。400 ℃加熱后,鍍層全部為Ni3P,檢測(cè)不出Ni5P4,說明Ni5P4已經(jīng)完全轉(zhuǎn)化為Ni3P。此時(shí),鍍層結(jié)構(gòu)已由非晶態(tài)完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葟浬⒌腘i3P相[9]。經(jīng)450 ℃加熱后,Ni3P顆粒聚集長(zhǎng)大,鍍層只有Ni3P。

        圖3 在不同溫度加熱2 h后Ni- P鍍層的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of the Ni- P coating after heating at different temperatures for 2 h

        2.3 加熱工藝對(duì)Ni- P合金鍍層硬度和耐磨性的影響

        加熱直接影響Ni- P合金的硬度。圖4為鍍層硬度隨加熱溫度的變化。從圖4可以看出:鍍層硬度隨加熱溫度的升高而增加,但是變化幅度越來越小。其原因是300 ℃加熱后鍍層中僅有部分Ni- P相轉(zhuǎn)化為Ni3P相,還有Ni5P4、Ni8P9等相存在。隨著加熱溫度的升高,鍍層中Ni- P相的晶體逐步轉(zhuǎn)化成硬度較高的Ni3P晶體。當(dāng)加熱溫度達(dá)到400 ℃時(shí),鍍層已基本轉(zhuǎn)化為Ni3P晶體,XRD圖中已無過渡態(tài)的Ni5P4相。

        圖4 鍍層硬度隨加熱溫度的變化Fig.4 Hardness of the Ni- P coating as a function of the heating temperatures

        圖5為不同溫度加熱后鍍層的摩擦因數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化。表1列出了不同溫度加熱后鍍層的最大摩擦因數(shù)和平均摩擦因數(shù)。從表1可以看出,鍍層的平均摩擦因數(shù)隨著加熱溫度的升高,先下降到0.3,再略微上升。其原因?yàn)?,隨著加熱溫度的升高,鍍層硬度越來越高,耐磨性提高。400 ℃加熱的鍍層的平均摩擦因數(shù)最小。隨著加熱溫度的繼續(xù)升高,彌散的Ni3P顆粒開始緩慢聚集長(zhǎng)大,導(dǎo)致鍍層的平均摩擦因數(shù)增大。

        圖5 在不同溫度加熱后Ni- P鍍層的摩擦因數(shù)隨摩擦試驗(yàn)時(shí)間的變化Fig.5 Friction coefficient of the Ni- P coating heated at different temperatures as a function of friction test time

        表1 在不同溫度加熱后Ni- P鍍層的最大摩擦因數(shù)和平均摩擦因數(shù)Table 1 Maximum friction coefficient and average friction coefficient of the Ni- P coating heated at different temperatures

        3 結(jié)論

        (1)鈦表面可以化學(xué)鍍Ni- P鍍層,鍍層與基體結(jié)合良好。

        (2)對(duì)Ni- P鍍層加熱會(huì)影響鍍層的相組成。300 ℃加熱后,鍍層中出現(xiàn)晶體結(jié)構(gòu),開始晶化,大部分從非晶態(tài)轉(zhuǎn)化為亞穩(wěn)定相的Ni5P4。400 ℃加熱后,鍍層結(jié)構(gòu)已由非晶態(tài)完全轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨葟浬⒌姆€(wěn)定的Ni3P相。

        (3)400 ℃加熱的Ni- P鍍層硬度最高,達(dá)910 HV0.1,摩擦因數(shù)最小,低于0.35。

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