Ni/WC復合鍍層與Ni-W合金鍍層力學性能比較

林 立，韓 華

（開封大學機械與汽車工程學院，河南開封475000）

Q235鋼在工業中應用廣泛，為適應不同工作環境，提高其耐磨性能、耐腐蝕性能、抗污染性能以及力學性能具有重要意義。在不改變Q235鋼組織結構的情況下，可通過表面涂覆膜層提高其耐磨性能、耐腐蝕性能、防污染性能以及力學性能［1-4］。

Ni基鍍層具有較高硬度、良好的耐腐蝕性能和耐磨性能［5-6］，被廣泛用于金屬材料（如碳鋼、紫銅、不銹鋼等）表面改性。目前國內外關于Ni基鍍層的研究主要集中在制備工藝優化［7］、新型制備工藝開發［8］、鍍層耐磨性能和耐腐蝕性能優化［9］等方面，但對Ni基鍍層力學性能的研究較少。

摻雜固體顆粒的Ni基復合鍍層與添加不同元素形成的Ni基合金鍍層由于形核機理不同，導致力學性能存在差異，但相差程度尚不明確。基于此，有必要比較不同鍍層的力學性能，篩選出力學性能更好的鍍層，從而為提高Q235鋼制件整體性能提供選擇依據。本文在Q235鋼表面分別制備Ni/WC復合鍍層、Ni-W合金鍍層，綜合比較了不同鍍層的形貌、成分、硬度、韌性、彈性及抗拉強度，得到了不同鍍層的性能特點。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

Q235鋼作為陰極，電解鎳板作為陽極。陰陽極（正對放置）間距35 mm。陰極預處理流程為：砂紙打磨→堿液除油→酸蝕活化→清水沖洗→冷風吹干。

1.2 不同鍍層制備

分別在瓦特型鍍鎳液、含有WC顆粒的瓦特型鍍鎳液及酸性鎳鎢合金鍍液中制備純Ni鍍層、Ni/WC復合鍍層、Ni-W合金鍍層，溶液配方見表1。工藝條件：電流密度2 A/dm2，溫度45℃，時間75 min。

表1 溶液配方Tab.1 Formula of plating solution

1.3 性能測試

采用JSM-6390A型掃描電鏡和Falcon-60S型能譜儀表征鍍層表面形貌和成分。采用Rigaku Ultima IV型X射線衍射儀表征鍍層的晶相結構，參數為：電壓40 kV、電流30 mA、掃描速度4°/min，角度范圍20～90°。

采用MV-TEST1000型維氏硬度計，加載50 g測試鍍層的硬度，保載時間為15 s。為保證測試結果的準確性和可靠性，在試樣表面隨機選5個點測試，結果取平均值。采用掃描電鏡觀察壓痕形貌，定性判斷鍍層的韌性。

采用Nano Indenter型納米壓痕儀測試鍍層的彈性，最大載荷設定25 mN，加載速率為1 mN/nm。采用線切割方法制備拉伸試樣，拋光后在WES2000型拉伸實驗機上進行實驗，測試鍍層的抗拉強度。為保證測試結果的準確性和可靠性，每組設3個平行試樣，結果取平均值。

2 結果與討論

2.1 不同鍍層表面形貌和成分

基體和不同鍍層表面形貌如圖1所示。由圖1可知，純Ni鍍層、Ni/WC復合鍍層及Ni-W合金鍍層都完整覆蓋基體，但它們的形貌存在差異。

圖1 基體和不同鍍層表面形貌Fig.1 Surface morphology of matrix and different coatings

純Ni鍍層表面較粗糙疏松，這是由于純Ni鍍層的電結晶遵循瞬時形核規律［10］。Ni/WC復合鍍層表面較平整致密，相比于純Ni鍍層有所改善，原因是WC顆粒伴隨著共沉積鑲嵌在晶粒之間，抑制了晶粒長大。另外，WC顆粒會占據基體表面的活性區域，并逐漸變成催化形核中心，提高形核率，同樣能抑制晶粒長大，從而改善鍍層的平整度和致密性。

Ni-W合金鍍層表面平整度和致密性明顯好于純Ni鍍層和Ni/WC復合鍍層，這是由于Ni與W共沉積過程中伴隨著中間態的W還原產物形成［11］，并吸附在基體表面導致活性成核點數目增多，有效提高了形核率。在Ni與W共沉積過程中不斷出現新晶核，且晶核形成速度快于其長大速度。因此可以認為Ni-W合金鍍層的電沉積遵循連續形核規律，所以結晶細致，表面更平整致密。

不同鍍層的能譜圖如圖2所示。由圖2可知，純Ni鍍層的成分以Ni元素為主，質量分數達到92.3%。Ni/WC復合鍍層的譜圖上除了Ni的特征峰，還出現了W的特征峰，證實了WC顆粒伴隨著共沉積進入鍍層中，根據W元素質量分數推算出Ni/WC復合鍍層中WC顆粒含量約為6.52%。Ni-W合金鍍層的譜圖上也出現了W的特征峰，但其相對強度明顯高于Ni/WC復合鍍層譜圖中W衍射峰的相對強度，這是由于Ni-W合金鍍層中W元素質量分數較高，達到34.2%，Ni-W合金鍍層的成分以Ni和W元素為主。

圖2 不同鍍層的能譜圖Fig.2 Energy spectrum of different coatings

圖3為Ni/WC復合鍍層表面元素分布，可知Ni、W和C元素分布較均勻，未出現明顯的團聚，說明WC顆粒在Ni/WC復合鍍層中彌散分布。

圖3 Ni/WC鍍層表面元素分布Fig.3 Distribution of elements on the surface of Ni/WC coating

2.2 晶相結構

不同鍍層的X射線衍射譜如圖4所示，采用Jade軟件結合標準PDF卡片進行分析，純Ni鍍層與Ni/WC復合鍍層的PDF卡片都為#87-0712，Ni-W合金鍍層的PDF卡片為#89-7129。

由圖4可知，純Ni鍍層和Ni/WC復合鍍層都有2個明顯的衍射峰：（111）晶面和（200）晶面，而Ni-W合金鍍層有4個明顯的衍射峰：（111）晶面、（200）晶面、（110）晶面和（220）晶面。對純Ni鍍層而言，（200）晶面對應衍射峰強度最高，（111）晶面對應衍射峰強度較弱。對Ni/WC復合鍍層而言，（111）晶面和（200）晶面對應衍射峰強度相差不大。對Ni-W合金鍍層而言，（110）晶面對應衍射峰強度最高，（111）晶面、（200）晶面和（220）晶面對應衍射峰強度相差不大。綜合來說，純Ni鍍層、Ni/WC復合鍍層和Ni-W合金鍍層的晶相結構不同。

圖4 不同鍍層的X射線衍射譜Fig.4 X-ray diffraction spectra of different coatings

2.3 硬度及韌性

基體和不同鍍層的硬度如圖5所示。由圖5可知，純Ni鍍層和Ni/WC復合鍍層的硬度分別為368.4 HV、480.5 HV，由于WC顆粒硬度很高，伴隨著共沉積進入鍍層中起到局部強化和彌散強化的作用，因此Ni/WC復合鍍層的硬度較純Ni鍍層明顯提高。另外，WC顆粒鑲嵌在晶粒之間起到細化晶粒的作用，也使Ni/WC復合鍍層的硬度提高［12-13］。Ni-W合金鍍層的硬度達到600.2 HV，這是由于Ni與W誘導共沉積，W原子通過置換Ni晶格中的Ni原子形成置換固溶體起到固溶強化作用［14］，使得Ni-W合金鍍層的硬度較純Ni鍍層和Ni/WC復合鍍層顯著提高。

圖5 基體和不同鍍層的硬度Fig.5 Hardness of matrix and different coatings

基體和不同鍍層表面的硬度壓痕如圖6所示。觀察發現，純Ni鍍層、Ni/WC復合鍍層和Ni-W合金鍍層表面的壓痕都呈較規則的菱形，但是純Ni鍍層表面的壓痕最大，說明其硬度低，抵抗塑性變形能力差。Ni/WC復合鍍層表面的壓痕較小，這是由于其硬度較純Ni鍍層明顯提高，抵抗塑性變形能力增強。而Ni-W合金鍍層表面的壓痕最小，其抵抗塑性變形能力更強，因此硬度最高。

圖6 基體和不同鍍層表面硬度壓痕Fig.6 Hardness indentation on the surface of matrix and different coatings

另外還發現，純Ni鍍層、Ni/WC復合鍍層和Ni-W合金鍍層的壓痕邊緣都未出現明顯的裂紋，說明這三種鍍層的韌性都較好。

2.4 彈性及抗拉強度

基體和不同鍍層的載荷-位移曲線如圖7所示。觀察發現，壓痕深度按照由深到淺排序依次為：基體、純Ni鍍層、Ni/WC復合鍍層、Ni-W合金鍍層。基體的壓痕深度接近300 nm，而Ni-W合金鍍層的壓痕深度約120 nm。根據文獻報道，壓痕深度反映材料表面彈性恢復能力，同時也反映材料的韌性優劣［15-16］。即壓痕越淺，材料表面彈性恢復能力越強，韌性也較好。根據圖7得知，純Ni鍍層、Ni/WC復合鍍層和Ni-W合金鍍層的彈性和韌性好于基體。由于WC顆粒伴隨著共沉積進入鍍層中起到細化晶粒的作用，引起彌散強化和局部強化，使Ni/WC復合鍍層的致密度提高，增強了在彈塑性變形過程中抵抗位錯滑移能力，因此其彈性和韌性好于純Ni鍍層。Ni-W合金鍍層的晶粒細小，表面平整致密，在彈塑性變形過程中抵抗位錯滑移能力進一步增強，其彈性最好。

圖7 基體和不同鍍層的載荷-位移曲線Fig.7 Load-displacement curves of matrix and different coatings

基體和不同鍍層的抗拉強度如圖8所示。根據文獻報道，抗拉強度反映材料最大均勻塑性變形的抗力，即抗拉強度越高，材料抵抗最大均勻變形的能力越強。由圖7可知，純Ni鍍層、Ni/WC復合鍍層和Ni-W合金鍍層的抗拉強度都高于基體，分別為610 MPa、850 MPa、1030 MPa。由于Ni/WC復合鍍層和Ni-W合金鍍層的晶粒尺寸減小，致密度明顯好于純Ni鍍層，因此抵抗最大均勻變形的能力較強。對Ni-W合金鍍層而言，其晶粒更細小且致密性更好，抵抗最大均勻變形的能力進一步增強［17-18］，因此抗拉強度最高。

圖8 基體和不同鍍層的抗拉強度Fig.8 Tensile strength of matrix and different coatings

3 結論

（1）在Q235鋼表面制備出形貌、成分和晶相結構不同的Ni/WC復合鍍層和Ni-W合金鍍層，兩者的力學性能都好于純Ni鍍層，并且Ni-W合金鍍層能夠較大幅度提高Q235鋼制件整體性能。

（2）Ni/WC復合鍍層中WC顆粒彌散分布，含量約為6.52%。WC顆粒進入鍍層中起到局部強化和彌散強化的作用，使Ni/WC復合鍍層的力學性能提高。Ni與W誘導共沉積形成置換固溶體起到細化晶粒和固溶強化的作用，使Ni-W合金鍍層表面較平整致密，抵抗塑性變形能力和彈性恢復能力增強，力學性能好于Ni/WC復合鍍層。