載荷對鎳鈷合金鍍層耐磨性的影響

劉霽云， 趙 陽， 董世運， 徐濱士

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京 100072)

載荷對鎳鈷合金鍍層耐磨性的影響

劉霽云， 趙 陽， 董世運， 徐濱士

(裝甲兵工程學院裝備再制造技術國防科技重點實驗室， 北京100072)

為了探究鎳鈷(Ni-Co)合金鍍層在不同工況條件下的摩擦磨損情況，采用電沉積技術制備了Ni-Co合金鍍層，分別利用顯微硬度計和X射線衍射儀(X-RayDiffractometer，XRD)表征了Ni-Co合金鍍層的顯微硬度和相結構，利用摩擦磨損試驗機、掃描電子顯微鏡(ScanningElectronMicroscope，SEM)、能譜儀(EnergyDispersiveSpectrometer，EDS)和三維形貌儀研究了鍍層在不同載荷、頻率與摩擦副下的摩擦學性能。結果表明：鍍層的顯微硬度為428HV；鍍層為面心立方結構；鍍層的磨損體積隨載荷和頻率的增大而增大；摩擦副為GCr15鋼球時，主要為粘著磨損；摩擦副為Si3N4陶瓷球時，主要為磨粒磨損，且與摩擦副為GCr15鋼球時相比，鍍層磨損體積較小，摩擦因數(CoefficientOfFriction，COF)較低。

鎳鈷合金鍍層； 耐磨性； 電沉積； 載荷

鎳鈷(Ni-Co)合金鍍層是一種理想的防護性鍍層，具有較高的硬度[1]、耐磨性[2]和高溫穩定性[3]，作為一種重要的工程材料廣泛應用于諸多領域。WANG等[4]研究表明：當鍍層中Co含量達到30%～40%時，鍍層硬度較高，具有良好的耐磨性。由于鈷含量高的鍍層內應力大、抗熱裂性能差和性價比低，因此在實際應用中，Co含量一般控制在40%以下。在保證耐磨性的前提下盡量減少Co用量，對于提高電鍍的經濟效益和可持續發展具有重要意義。

電沉積技術制備Ni-Co合金鍍層的鍍液體系多種多樣，且制備工藝也十分成熟。研究人員主要集中研究了電沉積技術的工藝和鍍液配方對Ni-Co合金鍍層性能的影響，如：遲玉忠等[5]通過在鍍液中加入稀土元素，有效改善了鍍層質量，提高了鍍層結合強度；WU等[6]研究了Co含量對Ni-Co合金鍍層結構及耐磨性的影響。但目前對于鍍層在不同工況條件下的摩擦磨損情況研究較少。鑒于此，筆者采用電沉積技術制備了一種Co含量在40%左右的Ni-Co合金鍍層，分別用Si3N4陶瓷球和GCr15鋼球作摩擦副，并施加不同載荷和頻率，對Ni-Co鍍層的摩擦學性能進行研究。

1 實驗材料和方法

1.1試樣處理

基體為黃銅，尺寸為20 mm×20 mm×10 mm。摩擦測試前用酒精擦拭干凈。試驗基本鍍液pH=3.0～4.0，其組成為：硫酸鎳250 g/L，硫酸鈷40 g/L，硼酸45 g/L，氯化鈉20 g/L，糖精鈉2 g/L。

1.2性能測試

采用D8型多晶X射線衍射儀(X-Ray Diffractometer，XRD)進行鍍層相結構分析，Cu靶，管電壓為40 kV，管電流為40 mA。采用HVS-1000數顯顯微硬度計測定鍍層顯微硬度，在試樣上取5個點，取其平均值，施加載荷F=100 mN，時間為15 s。

采用美國CETR-UTM-3型多功能摩擦磨損試驗機進行干磨損試驗，運動為往復式運動，試驗條件如下：1)摩擦副為Si3N4陶瓷球，直徑4 mm，硬度約1 500 HV，F=10、20、40 N，頻率f=5 Hz，摩擦時間t=30 min；2)摩擦副為GCr15鋼球，直徑4 mm，硬度59 HRC，F=10、20、40 N，f=5 Hz，t=30 min；3)摩擦副為GCr15鋼球，直徑4 mm，f=5、7.5、10 Hz，F=10 N，t=30 min。

采用日立公司生產的S4800冷發射掃描電子顯微鏡(Scanning Electron Microscope，SEM)觀察磨痕表面，并用其自帶的能譜儀(Energy Dispersive Spectrometer，EDS)測試磨痕中的元素質量分數。采用OLYMPUS公司生產的三維形貌儀測量磨損體積。

2 結果和討論

2.1鍍層結構和顯微硬度

鍍層與基體上各取5個點，測得顯微硬度如表1所示。可以看出：鍍層的顯微硬度較為均勻，在420～440 HV之間，平均顯微硬度為428 HV；而基體的平均顯微硬度為57 HV，鍍層的顯微硬度約是基體的7.5倍。

表1 鍍層與基體的顯微硬度 HV

圖1 鍍層XRD衍射圖譜

該鍍層的XRD衍射圖譜如圖1所示。可以看出：鍍層在2θ=44°附近出現(111)衍射峰，在2θ=52°附近出現(200)衍射峰，且(111)衍射峰強度遠大于(222)衍射峰強度，鍍層表現出(111)晶面擇優取向，呈單相的面心立方結構。

2.2磨痕形貌及磨損機制

摩擦副為GCr15鋼球時鍍層磨痕表面形貌SEM圖如圖2所示。可以看出：當F=10 N時，鍍層磨痕表面較為平整，存在片狀剝落，呈現粘著磨損；當F=20 N時，出現明顯塑性變形，剝落面積變大，表面破壞嚴重，粘著磨損加劇，且磨痕里出現裂紋，表明還伴有疲勞磨損；當F=40 N時，磨痕表面出現大面積剝落，磨損程度加劇。分析其原因為:施加載荷增大會引起磨痕表面磨損程度加劇，當施加載荷增加到一定程度時，接觸應力使磨痕表面產生塑性變形，在剪切和塑變作用下，接觸表面不可避免地產生粘著直至脫落，使得磨痕局部區域出現明顯剝落[7]，表現出典型的粘著磨損特征[8]。對比圖2(a)、(b)可知：當施加載荷不變、頻率增大1倍時，鍍層磨損程度加劇，表面呈現出更加典型的粘著磨損。這說明增大頻率與施加載荷均能使鍍層出現明顯的粘著磨損。

摩擦副為Si3N4陶瓷球時鍍層磨痕表面形貌SEM圖如圖3所示。可以看出：與摩擦副為GCr15鋼球相比，磨痕表面更加光滑；當F=10 N時，鍍層表面有犁溝狀劃痕出現，且有磨屑存在，說明此時主要磨損方式為磨粒磨損，在反復摩擦作用下鍍層磨損表面出現了一些微裂紋，說明還存在輕微疲勞磨損[9]；當F=40N時，鍍層表面磨痕沿往復運動方向發生塑性變形，且犁溝變寬，磨粒磨損加劇。

圖2 摩擦副為GCr15鋼球時鍍層磨痕表面形貌SEM圖

圖3 摩擦副為Si3N4陶瓷球時鍍層磨痕表面形貌SEM圖

2.3磨損體積和摩擦因數

圖4為鍍層在不同施加載荷與摩擦副下的摩擦因數變化曲線。可以看出：當摩擦副為GCr15鋼球時，F=10 N時的摩擦因數最小，F=20、40 N時摩擦因數接近，在0.8～1.0之間；當摩擦副為Si3N4陶瓷球時，F=20 N時摩擦因數最小，F=40 N時最大，在0.7～0.8之間。與GCr15鋼球相比，Si3N4陶瓷球為摩擦副時，鍍層的摩擦因數較小。

圖4 鍍層在不同施加載荷與摩擦副下的摩擦因數變化曲線

表2 磨痕中所含元素質量分數的EDS檢測結果

表2為磨痕中所含元素質量分數的EDS檢測結果。可以看出：當摩擦副為GCr15鋼球時，磨痕中的O元素較少，此外還含有少量的Fe元素；當摩擦副為Si3N4陶瓷球時，磨痕中O元素急劇增多，表明磨痕中有較多的氧化物。

圖5為不同施加載荷與摩擦副下鍍層的磨損體積。可以看出：隨著施加載荷的增大，鍍層磨損體積隨之增大；當摩擦副為Si3N4陶瓷球時，鍍層的磨損體積遠小于摩擦副為GCr15鋼球時的磨損體積，僅為其20%～30%。這是因為：用Si3N4陶瓷球作為摩擦副時，鍍層表面摩擦產生高溫形成氧化物(見表2)，Ni-Co合金硬度遠小于陶瓷，氧化物多附著于鍍層磨痕表面，抵抗了陶瓷球的摩擦，減輕了磨損，此時氧化反應層起到了保護鍍層的作用；而Ni-Co合金鍍層硬度與GCr15鋼球硬度相差不是很大，一部分氧化物附著于GCr15鋼球，鍍層表面氧化物減少，導致鍍層磨損嚴重。

圖5 不同施加載荷與摩擦副下鍍層的磨損體積

采用GCr15鋼球為摩擦副，施加載荷為10 N，頻率分別為5、7.5、10 Hz時，測得的磨損體積和摩擦因數變化曲線分別如圖6、7所示。由圖6可以看出：鍍層磨損體積隨頻率的增大而逐漸增大，但增幅較小。由圖7可以看出：與f=5 Hz時相比，f=7.5、10 Hz時的摩擦因數波動明顯增大。從以上實驗可以看出：頻率對鍍層的摩擦磨損性能影響較小，施加載荷與摩擦副是影響鍍層磨損的主要因素。

圖6 3種頻率下的磨損體積

圖7 3種頻率下鍍層摩擦因數變化曲線

3 結論

采用電沉積技術制備了Ni-Co合金鍍層，表征了鍍層的顯微硬度和相結構，考察了不同載荷、頻率、摩擦副下的摩擦學性能。結果表明：該Ni-Co合金鍍層硬度約為428 HV，晶面表現出明顯的(111)擇優取向，鍍層呈現出面心立方結構；施加載荷和頻率增大，Ni-Co合金鍍層磨損體積隨之增大；同等條件下，當摩擦副為GCr15鋼球時，磨損方式主要為粘著磨損，磨損體積和摩擦因數較大；當摩擦副為Si3N4陶瓷球時，鍍層的磨損方式主要為磨粒磨損，鍍層磨損體積較小，摩擦因數也略低。該鍍層在與高硬度的物質發生摩擦時，具有較好的耐磨性。

由于Ni-Co合金鍍層具有較好的高溫穩定性，常被用于高溫環境，下一步將繼續研究該Ni-Co合金鍍層的高溫耐磨性。

[1] 武鋼,李寧,杜明華,等. 電沉積Ni-Co合金鍍層結構及硬度研究[J].材料科學與工藝,2002,10(4):419-423.

[2] 耿哲,劉陽,張宏杰,等.結晶器銅板Ni-Co電鍍層的耐磨性[J].中國表面工程,2013,26(6):93-99.

[3] 三谷和久,橋田和夫,周康.改善連鑄銅板耐磨性能的Ni-Co合金的特性[J].連鑄,1999(6):35-36.

[4] WANG L P,GAO Y,XUE Q J,et al.Microstructure and tribological properties of electrodeposited Ni-Co alloy deposits[J].Applied surface science,2005,242(3/4):326-332.

[5] 遲玉忠,劉雁紅,王新莊.電沉積鎳鈷納米合金的制備及性能研究[J].天津科技大學學報[J],2007,22(3)：40-43.

[6] WU Z W,LEI Y P,WANG Y,et al.Effect of cobalt content on microstructure and property of electroplated nickel-cobalt alloy coatings[J].Materialwissenschaft und werkstofftechnik,2013,44(7):593-600.

[7] 黨興武,黃建龍,陳生圣.載荷、往復滑動頻率及其交互作用對35Cr Mo/GCr15鋼磨損的影響[J].蘭州理工大學學報,2015,41(5):32-36.

[8] 王立平,高燕,劉惠文,等.相結構對Ni-Co合金鍍層摩擦磨損性能的影響[J].電鍍與環保,2005,25(2):14-16.

[9] 范娜,王云霞,王秋鳳,等.載荷對304不銹鋼微動磨損性能的影響[J].摩擦學學報,2016,36(5):555-561.

(責任編輯: 尚菲菲)

EffectofLoadonWearResistanceofNi-CoAlloyCoating

LIU Ji-yun, ZHAO Yang, DONG Shi-yun, XU Bin-shi

(National Defense Key Laboratory for Remanufacturing Technology, Academy of Armored Force Engineering, Beijing100072, China)

In order to investigate the friction and wear of Ni-Co alloy coating under different conditions, the Ni-Co alloy coating is prepared by electrodeposition. Its microhardness and phase structure are chara-cterized by X-Ray Diffractometer(XRD) and microhardness tester. The tribological properties of coating are investigated by the CETR-UMT-3tribometer, Scanning Electron Microscope (SEM), Energy Dispersive Spectrometer (EDS) and three-dimension profilometer under different loads, frequencies and friction pairs. The results show that the microhardness is428HV and the coating has face-centered cubic structure; The wear volumes increase with the increase of loads and frequencies; after sliding against the GCr15ball, the adhesive wear is dominated; after sliding against the Si3N4ceramic ball，the abrasive is dominated and the wear volume and the Coeffcient Of Friction(COF) of Ni-Co electrodeposited coating is less than that against the GCr15ball.

Ni-Co alloy coating; wear-resisting property; electroposition; load

1672-1497(2017)04-0106-05

2017-05-31

國家重點研發計劃基金資助項目(2016YFB1100205)

劉霽云(1992-)，男，碩士研究生。

TQ153.2

：ADOI：10.3969/j.issn.1672-1497.2017.04.020