劉大勇，吳成寶, *，李家宇，于杰

（1.廣州民航職業(yè)技術(shù)學(xué)院飛機(jī)維修工程學(xué)院，廣東 廣州 510470；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)深圳研究生院材料科學(xué)與工程系，廣東 深圳 518055）

電動(dòng)機(jī)中普遍采用軸與滾動(dòng)軸承連接配合，滑動(dòng)軸承價(jià)格低廉且加工簡(jiǎn)單，用其代替滾動(dòng)軸承可大幅降低電動(dòng)機(jī)的制造成本，但電動(dòng)機(jī)工作時(shí)軸與滑動(dòng)軸承間的摩擦比用滾動(dòng)軸承時(shí)嚴(yán)重，軸容易被磨損，電動(dòng)機(jī)的使用壽命因此而縮短。對(duì)電機(jī)軸進(jìn)行表面改性能夠降低摩擦損傷，延長(zhǎng)電機(jī)的使用壽命。近年來(lái)，化學(xué)鍍Ni-P合金因具有優(yōu)異的耐磨性和耐蝕性而被廣泛用作機(jī)械零件的保護(hù)層[1-4]。在Ni-P合金鍍層與其他表面相互摩擦和刮擦的過(guò)程中，鍍層的致密性和結(jié)合力是決定鍍層失效與否的關(guān)鍵因素[5]。因此，通過(guò)改進(jìn)化學(xué)鍍Ni-P合金工藝來(lái)提高Ni-P合金鍍層的致密性和結(jié)合力，是降低電動(dòng)機(jī)中軸和滑動(dòng)軸承磨損率的有效方法。

稀土元素具有提純和凈化作用，已成功應(yīng)用于冶金、電子、化學(xué)工程等許多領(lǐng)域[6-8]。稀土元素具有獨(dú)特的4f電子構(gòu)型，原子半徑大，電負(fù)性低，表面活性高，很容易形成正離子并與晶界中的其他元素發(fā)生反應(yīng)[9]。將稀土元素用于化學(xué)鍍能提高鍍液穩(wěn)定性，加快沉積，提高鍍層的結(jié)構(gòu)和性能[10-11]。Ashassi-Sorkhabi等研究了稀土鈰和鑭對(duì)化學(xué)鍍Ni-P合金的影響，發(fā)現(xiàn)稀土元素具有細(xì)化鍍層晶粒的作用，從而獲得鏡面光亮的Ni-P合金鍍層，但稀土元素含量過(guò)高會(huì)令沉積速率降低，使鍍層不均勻[12]。目前多數(shù)已報(bào)道文獻(xiàn)更關(guān)注稀土含量對(duì)化學(xué)鍍Ni-P合金沉積速率以及鍍層結(jié)構(gòu)和耐磨性的影響，有關(guān)稀土對(duì)化學(xué)鍍層結(jié)合力的影響及摻雜情況卻較少提及。

本研究工作在酸性化學(xué)鍍液中添加不同質(zhì)量濃度的稀土Ce4+，在高碳鋼電機(jī)軸表面化學(xué)鍍Ni-P合金，研究了稀土Ce4+質(zhì)量濃度對(duì)Ni-P合金鍍層致密性和結(jié)合力的影響，探討了Ce4+在Ni-P合金中的摻雜情況，通過(guò)模擬電機(jī)軸與滑動(dòng)軸承套的磨損，分析了鍍覆Ni-P合金的電機(jī)軸與銅基滑動(dòng)軸承之間的摩擦磨損行為。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 化學(xué)鍍Ni-P合金工藝

采用直徑2.3 mm、長(zhǎng)6 mm的高碳鋼電機(jī)軸作為基材。先用400#至1500#的SiC砂紙逐級(jí)打磨，然后采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)為3%的SK-18金屬清洗劑脫脂，超聲波清洗后用蒸餾水洗凈。

化學(xué)鍍配方和工藝條件為：NiSO4·6H2O 28 g/L，NaH2PO4·H2O 30 g/L，Na3C6H5O7·2H2O 20 g/L，CH3COONa 20 g/L，丁二酸(C4H6O4)10 g/L，乳酸(C3H6O3)5 mL/L，KIO320 mL/L，pH 5.0 ± 0.1，溫度(85 ± 1) ℃，時(shí)間30 min。

稀土氧化鈰(純度99.99%)購(gòu)自山東德盛新材料有限公司，經(jīng)處理轉(zhuǎn)變成四價(jià)鹽后加入鎳-磷化學(xué)鍍液中。所用其他化學(xué)試劑均購(gòu)自臺(tái)山市粵僑試劑塑料有限公司，純度均高于99%。

1.2 性能表征

采用JEOL JSM-6330F掃描電子顯微鏡(SEM)觀察Ni-P合金鍍層的表面形貌。使用日本理學(xué)D/Max-III X射線衍射儀(XRD)分析鍍層的相結(jié)構(gòu)，銅靶，Kα輻射，波長(zhǎng)1.540 50 ?。

采用藍(lán)點(diǎn)法檢測(cè)鍍層的孔隙率，以評(píng)價(jià)鍍層的致密性，分別使用氯化鈉和鐵氰化鉀作為腐蝕劑和指示劑。

采用WS-2005型涂層附著力自動(dòng)劃痕儀檢測(cè)鍍層與基體之間的結(jié)合力，加載速率為100 N/min，隨負(fù)荷增大，聲圖上會(huì)出現(xiàn)一個(gè)連續(xù)的峰值，對(duì)應(yīng)的載荷即為Ni-P合金與軸基體之間的結(jié)合力。

先用濃硝酸溶解電機(jī)軸表面的Ni-P合金鍍層，再將所得溶液稀釋至100 mL，接著用Optima 2000DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)檢測(cè)Ce是否已摻入Ni-P合金中。

1.3 摩擦磨損試驗(yàn)

如圖1所示，模擬微型電動(dòng)機(jī)軸與滑動(dòng)軸承套配合的實(shí)際摩擦狀況進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)?；瑒?dòng)軸承為銅-鐵粉末冶金件，內(nèi)表面有微小孔洞。先將滑動(dòng)軸承熱處理至洛氏硬度為28 ～ 35 HRC，再浸漬潤(rùn)滑油，低溫烘干，試驗(yàn)條件為：載荷20 N，轉(zhuǎn)速1 000 r/min，時(shí)間12 h。由Nikon Epiphot 200倒置金相顯微鏡獲得摩擦磨損試驗(yàn)后滑動(dòng)軸承和軸的光學(xué)顯微鏡圖像，并采用掃描電鏡觀察它們的磨損形貌。

圖1 鍍覆Ni-P合金的鋼軸與銅基滑動(dòng)軸承配合的摩擦磨損試驗(yàn)示意圖Figure 1 Sketch showing the frictional wear testing between Ni-P alloy-coated steel shaft and copper-based sliding bearing

2 結(jié)果與討論

2.1 Ce4+質(zhì)量濃度對(duì)Ni-P合金鍍層性能的影響

2.1.1 表面形貌

鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度對(duì)Ni-P合金鍍層的表面形貌影響很大。從圖2可知，鍍液中未加Ce4+時(shí)，所得Ni-P合金鍍層表面含有大量胞狀顆粒。添加少量(如5 mg/L和20 mg/L)Ce4+時(shí)，獲得的Ni-P合金表面比較平整，表面顆粒較小，說(shuō)明添加少量Ce4+能夠改善鍍層的均勻性。但增大稀土Ce4+質(zhì)量濃度至50 mg/L時(shí)，鍍層表面又變得不均勻，且出現(xiàn)大量孔洞。在實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，鍍液中稀土Ce4+質(zhì)量濃度為100 mg/L時(shí)，Ni-P合金基本無(wú)法沉積到軸表面。

圖2 不同Ce4+質(zhì)量濃度時(shí)獲得的Ni-P合金鍍層的表面形貌Figure 2 Surface morphologies of Ni-P alloy coatings prepared with different mass concentrations of Ce4+

2.1.2 相結(jié)構(gòu)

從圖3可見(jiàn)，不同Ce4+質(zhì)量濃度下所得Ni-P合金鍍層都在2θ為45°附近出現(xiàn)典型的“饅頭峰”，說(shuō)明它們都是非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。與未加Ce4+時(shí)相比，添加Ce4+后所得合金鍍層的“饅頭峰”變寬，說(shuō)明Ce4+的添加能夠令Ni-P合金鍍層更均勻、細(xì)致。

圖3 不同Ce4+質(zhì)量濃度時(shí)獲得的Ni-P合金鍍層的XRD譜圖Figure 3 XRD patterns of Ni-P alloy coatings prepared with different mass concentrations of Ce4+

2.1.3 致密性和結(jié)合力

從圖4可知，隨鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度增大，Ni-P合金鍍層的孔隙率先減小后增大，結(jié)合力先升高后降低。Ce4+質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)，Ni-P合金鍍層的孔隙率和結(jié)合力分別為3.2個(gè)/cm2和56 N，致密性最好，結(jié)合力最高。這是因?yàn)橄⊥罜e的表面活性高，易與鍍液中的雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)，起到去除鍍液雜質(zhì)的作用，從而避免雜質(zhì)在鍍層與基體界面積聚。

圖4 Ce4+質(zhì)量濃度對(duì)Ni-P合金孔隙率和結(jié)合力的影響Figure 4 Effect of mass concentration of Ce4+on porosity and adhesion of Ni-P alloy coating

2.1.4 耐磨性

從圖5a可知，鍍液中未添加Ce4+時(shí)，所得Ni-P合金鍍層在摩擦磨損試驗(yàn)后表面有劃痕，但無(wú)明顯的剝落現(xiàn)象，滑動(dòng)軸承中間的油孔完好，但兩邊發(fā)生塑性變形，油孔被密封。由圖5b可見(jiàn)，Ce4+質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)，所得Ni-P合金鍍層的耐磨性最佳，在摩擦磨損試驗(yàn)后表面只留下輕微的劃痕，滑動(dòng)軸承表面幾乎沒(méi)有塑性變形，油孔完好無(wú)損，說(shuō)明Ni-P合金鍍層與滑動(dòng)軸承配合良好。這是因?yàn)榇藭r(shí)Ni-P合金鍍層的結(jié)合力高，表面光潔，不容易對(duì)滑動(dòng)軸承表面造成磨損。由圖5c可知，Ce4+質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，所得Ni-P合金鍍層的耐磨性最差，摩擦磨損試驗(yàn)后滑動(dòng)軸承和軸都已經(jīng)嚴(yán)重磨損，鋼軸表面發(fā)生明顯的剝落(見(jiàn)圖5c右上角)，滑動(dòng)軸承表面所有油孔都被完全堵塞(見(jiàn)圖5c下半部分)。

圖5 不同Ce4+質(zhì)量濃度時(shí)獲得的Ni-P合金鍍層與滑動(dòng)軸承經(jīng)摩擦磨損試驗(yàn)后的形貌Figure 5 Morphologies of Ni-P alloy coatings prepared with different mass concentrations of Ce4+ and sliding bearing after wear and friction test between them

2.2 稀土鈰在Ni-P合金鍍層中的摻雜

如圖6所示，鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度為5 mg/L和20 mg/L時(shí)，ICP光譜中Ce的信號(hào)非常弱，表明所得Ni-P合金鍍層中基本上沒(méi)有Ce元素。鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度為50 mg/L時(shí)，在413.76 nm附近出現(xiàn)了非常強(qiáng)的Ce光譜，表明Ce元素已摻入Ni-P合金鍍層中。可能原因?yàn)椋篊e4+濃度較低時(shí)，鍍液中的Ce4+主要與雜質(zhì)元素發(fā)生反應(yīng)；Ce4+濃度較高時(shí)，部分Ce4+與雜質(zhì)元素反應(yīng)，剩余的Ce4+離子由于其特殊的4f電子構(gòu)型而吸附在基體表面并形成Ce膜[11]。Ce膜的形成會(huì)令Ni在基體表面的成核速率和生長(zhǎng)速率降低，導(dǎo)致Ni-P合金鍍層不均勻，結(jié)合力降低。

圖6 不同Ce4+濃度制備N(xiāo)i-P合金的ICP-OES譜圖Figure 6 ICP-OES spectra of Ni-P alloy coatings prepared with different mass concentrations of Ce4+

3 結(jié)論

采用酸性化學(xué)鍍鎳溶液在高碳鋼電機(jī)軸上成功制備了Ni-P合金。鍍液中添加適量(5 ～ 20 mg/L)的Ce4+后，所得Ni-P合金鍍層的均勻性、平整性和致密性都得到了改善，晶粒細(xì)化，與軸的結(jié)合力提高。鍍液中Ce4+質(zhì)量濃度為20 mg/L時(shí)，Ni-P合金鍍層表面最均勻、平整，結(jié)合力達(dá)56 N，耐磨性最佳。