電鍍法制備晶態(tài)Ni

電鍍法制備晶態(tài)Ni-W合金鍍層摩擦與磨損性能孔德軍;吳泳忠;王曉峰【摘要】Ni-WalloycoatingwaspreparedontheN80steelsurfacewithelectroplatingmethod,itscoatingcoatingwaschangedfromamorphousstructureintocrystallinestructureaftertheheattreatmentof500癈,andtheelementsspectrumsandphasecompositionswereanalyzedbySEM,EDSandXRD,respectively.TheslidingwearpropertiesofNi-Wcoatingwereresearched;itsfrictioncoefficientwastested;thesurfacemorphologiesafterwearwereobservedbySEM,andthewearmechanismwasdiscussed.TheresultsshowthatthecrystallineNi-WcoatingiscomposedofNi-basedsolidsolution,itssurfacetnicrohardnessis1100,theroughnessis454.41run,thefrictioncoefficientisabout0.52,Ni-Wcoatinghasstronganti-wearability,thecoatingsurfaceafterwearmainlypresentsminorscrapephenomenon,theparticleattritionismainlycausedbycoatingspalling,andthewearrateincreasesobviously.%采用電鍍方法在N80鋼表面制備Ni-W合金鍍層；經(jīng)500工熱處理后鍍層由非晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)，通過SEM,EDS和XRD等分析Ni-W鍍層組織結(jié)構(gòu)、元素能譜和物相組成，研究Ni-W鍍層滑動磨損特性，測試其摩擦因數(shù)，用SEM觀察試樣磨損表面形貌，對磨損機理進行分析?研究結(jié)果表明:晶態(tài)Ni-W鍍層為Ni基固溶體，表面顯微硬度為1100,粗糙度為454.41nm,摩擦因數(shù)為0.52左右；Ni-W鍍層具有較強的抗磨能力，磨損表面主要呈現(xiàn)輕微擦傷現(xiàn)象,鍍層剝落而造成磨粒磨損,磨損率劇增.期刊名稱】《中南大學學報（自然科學版）》年(卷),期】2012(043)009【總頁數(shù)】6頁(P3472-3477)【關(guān)鍵詞】Ni-W合金鍍層;電鍍;摩擦因數(shù);磨損性能【作者】孔德軍;吳泳忠;王曉峰【作者單位】常州大學機械工程學院,江蘇常州,213016;常州大學機械工程學院,江蘇常州,213016;常州大學機械工程學院,江蘇常州,213016【正文語種】中文【中圖分類】TH117.1;U177.2N80鋼是我國石油行業(yè)廣泛使用的油套管鋼［1］，是一種高強度、高韌性的微合金控軋鋼，其顯微組織為針狀鐵素體加少量貝氏體［2］，表面硬度較低，抽油井中油管與抽油桿配合時發(fā)生嚴重的磨損現(xiàn)象，是近年困擾油井生產(chǎn)的熱點問題之一［3］，因此，需要采用表面處理方法對N80鋼進行強化。目前，表面處理方法有鉻酸鈍化、陽極氧化、電鍍或化學鍍等［4］。Kerans等［5］研究了鎳基和鐵基硼化物復合鍍層取代鉻鍍層的可能性，在取代六價鉻電鍍功能性鍍層方面具有巨大潛力，目前，國內(nèi)研究者主要對鍍液、工藝、鍍層結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)機理以及耐蝕性進行了大量研究［6-9］?；瘜W鍍非晶態(tài)Ni-W合金鍍層具有較高的顯微硬度、耐蝕性、耐磨性和熱穩(wěn)定性［10-11］，已被廣泛地應用于鑄造模具、注塑用螺桿、噴嘴及導線制輥表面處理。電鍍法是制備晶態(tài)Ni-W合金鍍層主要方法之一［12］，對其研究領(lǐng)域主要也主要集中于材料防護方面的應用，但是，鍍層的磨損機制仍有待探討［13-14］。在此，本文作者采用電鍍方法在N80鋼表面制備Ni-W晶態(tài)合金鍍層，用掃描電鏡觀察鍍層表面-界面的結(jié)合狀況，用EDS和XRD分析其表面化學元素含量和物相組成，并對其摩擦因素和磨損性能進行探討，以便為提高N80油管的使用壽命提供實驗依據(jù)。1實驗方法試驗材料為N80鋼，其化學元素質(zhì)量分數(shù)為：C0.42%，Si0.40%，Mn1.50%，P0.011%，S0.012%，Mo0.20%，Ni0.03%。采用電鍍方法在其表面制備一層Ni-W合金鍍層，其工藝過程：試樣打磨拋光-化學除油-水洗-除銹-水洗-硫酸溶液活化-水洗-電鍍-水洗-熱風吹干。電鍍液主要由Na2WO4?2H2O,NiSO4?6H2O和Na3C6H5O7?2H2O組成，其質(zhì)量濃度分別為40-45,20-30和40-50g/L，鍍液溫度為75-80°C,pH為6-8,陰極電流密度為10-150mA/cm2。熱處理過程如下：在氫氣保護氣氛下，于500C恒溫2h，空冷。磨損試驗在盤式摩擦磨損試驗機上進行，以淬火鋼球為對磨件。采用JSM-6360LA型掃描電鏡及配制的電子能譜儀觀察晶化處理后鍍層表面-界面形貌和化學元素的組成，用D/max2500PCX線衍射儀對其表面進行XRD分析。通過VeecoWykoNT1100型光學輪廓儀測量儀分析鍍層晶化處理后表面粗糙度，最后用掃描電鏡觀察鍍層磨損后形貌。2實驗結(jié)果與分析表面與界面形貌Ni-W鍍層表面細致平整，均勻致密，晶粒細小，較有光澤，如圖1(a)所示，未見表面有明顯的缺陷。鍍層與基體結(jié)合界面致密、均勻，無裂紋和孔隙，厚度為38-39pm,如圖1(b)所示。詹厚芹等［7］將界面區(qū)域分為突變型、化合物型和擴散型等3種形式。從圖1(b)可見：鍍層與基體之間有明顯的界面，鍍層與基體之間的結(jié)合緊密，說明鍍層與基體的結(jié)合狀態(tài)良好。圖1Ni-W鍍層表面與界面形貌Fig.1SurfaceandinterfacemorphologiesofNi-WcoatingEDS與XRD分析圖2(a)所為Ni-W鍍層表面EDS分析結(jié)果，其化學元素(質(zhì)量分數(shù))為：C4.17%，O1.22%，Ni55.93%，W38.68%，這表明Ni-W鍍層是以W和Ni為主的合金鍍層。測得非晶態(tài)Ni-W鍍層顯微硬度為650~700,經(jīng)500°C晶化處理后，其硬度達到1100。這是固溶強化和超細晶粒與高位錯密度共同作用的結(jié)果⑹。Ni-W鍍層XRD圖譜如圖2(b)所示，可見：Ni-W合金鍍層在衍射角為43.70°時出現(xiàn)1個明顯的晶態(tài)衍射峰，表明鍍層為晶態(tài)結(jié)構(gòu)。對比純Ni的衍射峰出現(xiàn)在44.62°處，Ni-W晶態(tài)合金鍍層衍射峰與純Ni的衍射峰比較接近，這表明Ni-W鍍層組織主要為Ni基固溶體，W元素主要以置換固溶體形式存在Ni基體中，起固溶強化作用，這與圖2(a)所示的EDS分析結(jié)果一致。表面粗糙度使用Veeco-Wykont1100型非接觸式光學輪廓儀測量Ni-W鍍層表面粗糙度，其結(jié)果如圖3所示。鍍層表面細小的顆粒分布較均勻，同時存在少量的空隙和缺陷。圖3(a)和(b)所示為粗糙度3D和2D形貌，測量參數(shù)如下：面積為736nmx480nm,取樣長度為163.42nm。測得：輪廓算術(shù)平均偏差Ra=454.41nm，均方根粗糙度Rq=637.83nm，輪廓總高度Rt=37.62pm。圖3(c)和(d)所示為X和Y剖面粗糙度形貌，其測量結(jié)果如表1所示。電鍍Ni-W合金鍍層后對基體表面粗糙度小于500nm，對于N80鋼的使用基本上沒有影響?；谋砻娲植诙扔绊戝儗颖砻娲植诙?在鍍層制備時應設法降低基體表面粗糙度,達到進一步降低鍍層表面粗糙度的目的。圖2Ni-W鍍層EDS與XRD分析結(jié)果Fig.2XRDpatternsandEDSanalysisofcrystallineNi-Wcoating圖3Ni-W鍍層表面粗糙度分析Fig.3SurfaceroughnessofNi-Wcoating表1X和Y剖面粗糙度測量結(jié)果Table1MeasuredresultsofNi-WsurfaceroughnessinXandYprofiles參數(shù)X剖面Y剖面均方根粗糙度Rq/pm0.420.92輪廓算術(shù)平均偏差Ra/pm0.310.60輪廓總高度Rt/pm2.284.04輪廓最大峰高Rp/pm0.731.14輪廓最大谷深Rv/pm-1.55-2.90角度/mrad4.67—曲率/mm-7.264.51高度Ht//pm0.160.01面積/pm219.420.96摩擦因素試驗設備為HSR-2M往復式摩擦磨損試驗機，測試條件如下：加載載荷為5N,試驗時間為120min，往復頻率為500次/min，往復長度為5mm。圖4所示為Ni-W鍍層在5N載荷下在摩擦因素與時間的變化曲線。整個過程可以分為3個階段：快速上升階段(0~10min)、波動階段(10~50min)和穩(wěn)定階段(50-120min)。圖4摩擦因素與時間關(guān)系曲線Fig.4Relationshipbetweenfractioncoefficientandtime(1)在上升階段，摩擦因素由0.15迅速上升到0.62，這是鍍層表面不平整所致。由于試樣表面存在許多微突體，實際接觸面積只占整個宏觀接觸面積的幾千分之一，使實際接觸應力遠大于名義接觸應力，接觸點處的金屬發(fā)生塑性變形，致使整體接觸的宏觀應力場變?yōu)榉稚⒌奈⒂^應力場［15］。在這種應力作用下，摩擦阻力增大。隨著摩擦時間的延長，接觸面的塑性變形越劇烈，凸峰處的Ni-W合金滑移到凹谷中，平面漸進光滑，摩擦因素減小；隨著時間的推移，凹凸不平的程度越大，接觸實際面積越大，分子吸引力越大，摩擦因素呈現(xiàn)減小的趨勢。(2)在波動階段，摩擦因素在0.5-0.6之間波動，變化不穩(wěn)定。這主要是摩擦表面經(jīng)過摩擦因素上升階段劇烈的磨損后，由于摩擦因素偏高，仍將在摩擦表面繼續(xù)磨損，發(fā)生磨損現(xiàn)象，并產(chǎn)生大量的熱量。(3)穩(wěn)定階段。經(jīng)過上述2個階段的磨合后，鍍層摩擦因素趨于穩(wěn)定，維持在0.52左右，至此，鍍層進入正常的磨損狀態(tài)。磨損后形貌圖5所示為Ni-W鍍層磨損試驗后表面形貌。由于鍍層硬度較高，在高應力作用下，對磨的鍍層兩端產(chǎn)生微裂紋脫落［16］，脫落的硬質(zhì)顆粒黏附在對磨件表面，對鍍層表面產(chǎn)生微觀切削作用。從圖5(a)可見：磨損試驗后Ni-W鍍層表面呈現(xiàn)了具有磨粒磨損特征的犁溝，在磨損后鍍層表面出現(xiàn)微切削現(xiàn)象。在滑動方向上，磨損后表面存在細小犁溝痕跡，犁溝較淺，這表明發(fā)生了W硬質(zhì)相的部分流失，如圖5(b)所示。對磨件上硬質(zhì)點在鍍層表面形成切削犁溝，使犁溝兩側(cè)發(fā)生塑性變形，產(chǎn)生隆起現(xiàn)象［17］。同時，對磨鍍層兩端出現(xiàn)了壓碎型剝落現(xiàn)象，產(chǎn)生了片狀脫落，如圖5(c)所示。由于鍍層的脆性造成強度不高，脫落的片狀在對磨件的作用下壓碎，形成硬而脆的磨粒［18］。鍍層表面兩端發(fā)生了塑性變形，此時以黏著磨損為主，如圖6(d)所示。在對磨鍍層兩端出現(xiàn)了鍍層磨損后磨粒聚集現(xiàn)象(5(e))，會嚴重影響磨損接觸區(qū)正常的磨損［19］，加速磨粒磨損，易產(chǎn)生黏著磨損現(xiàn)象。由于對磨件對鍍層接觸點產(chǎn)生的應力較大，而基材相對較軟，其結(jié)果是磨損后在鍍層孔洞、夾雜物、大晶粒處及晶界處產(chǎn)生了裂紋現(xiàn)象［20］，如圖5(f)所示。圖5磨損后Ni-W鍍層表面形貌Fig.5SurfacemorphologiesofNi-Wcoatingafterwear3結(jié)論(1)Ni-W合金鍍層為Ni基固溶體，W元素主要以置換固溶體形式存在Ni晶格中，使鍍層晶粒細化，晶化處理后鍍層顯微硬度為1100。(2)Ni-W合金鍍層表面算術(shù)平均粗糙度為454.41nm，在X和Y剖面算術(shù)平均粗糙度分別為0.31pm和0.60pm,對基體表面粗糙度沒有影響。(3)Ni-W合金鍍層改善了N80鋼表面摩擦與磨損性能，其摩擦因素為0.52左右,ni-w合金鍍層磨損形式包括微切削、犁溝、斷裂剝落以及其周邊鍍層塑性變形與脫落。【相關(guān)文獻】俞芳，高克瑋,喬利杰，等?溫度對N80鋼C02腐蝕產(chǎn)物膜結(jié)構(gòu)和力學性能的影響[J].腐蝕與防護,2009,30（3）:145-149.YUFang,GAOKe-wei,QIAOLi-jie,etal.EffectoftemperatureonmicrostructureandmechanicalpropertiesofC02corrosionscaleonN80steel[J].Corrosion&Protection,2009,30（3）:145-149.牛靖,董俊明，薛錦，等?石油套管鋼N80的顯微組織分析[J].焊管,2002,25（1）:15-17.NIUJing,DONGJun-ming,XUEJing,etal.Micro-structureanalysisofN80casingpipe[J].weldedPipeandTube,2002,25（1）:15-17.李美艷，王勇，馬洪偉，等?激光熔凝處理N80油管的組織及耐磨性[J].金屬熱處理,2010,35（12）:45-47.LIMei-yan,wANGYong,MAHong-wei,etal.StructureandwearresistanceofN80oiltubingbylasersurfaceremelting[J].HeatTreatmentofMetals,2010,35（12）:45-47.RuddAL,BreslinCB,MansfeldF.Thecorrosionprotectionaffordedbyrareearthconversioncoatingsappliedtomagnesium[J].CorrosionScience,2000,42（2）:275-288.KeransRJ,HayRS,PaganoNJ,etal.Theroleofthefiber/matrixinterfaceinceramiccomposites[J].AmCeramSocBull,1989,68（2）:429-442.⑹楊防祖,黃令,許書楷，等?非晶態(tài)Ni-W/ZrO2復合鍍層的制備、熱處理及腐蝕行為[J].物理化學學報,2009,25（5）:864-868.YANGFang-zu,HUANGLing,XUShu-kai,etal.PreparationheattreatmentandcorrosionbehaviorofamorphousNi-W/ZrO2compositecoating[J].ActaPhys-ChimSin,2009,25（5）:864-868.詹厚芹，何鳳姣，鞠輝，等?電沉積鐵鎮(zhèn)鋁合金性能研究[J].材料保護,2008,41（12）:31-33,40.ZHANHou-qing,HEFeng-jiao,JUHui,etal.StudyonthepropertiesofelectrodepositedFe-Ni-Walloycoating[J].MaterialsProtection,2008,41（12）:31-33,40.陳廣,趙永武?脈沖電沉積Ni-W合金鍍層的摩擦磨損性能[J].江南大學學報:自然科學版,2006,5（3）:329-332.CHENGuang,ZHAOYong-wu.StudyonfrictionalandwearpropertiesofNi-Walloycoatingsproducedbypulseelectrodeposition[J].JournalofSouthernYangtzeUniversity:NaturalScienceEdition,2006,5（3）:329-332.HouKH,ChenYC.PreparationandwearresistanceofpulseelectrodepositedNi-W/Al2O3compositecoatings[J].AppliedSurfaceScience,2011,257（15）:6340-6346.RupertTJ,SchuhCA.SlidingwearofnanocrystallineNi-W:StructuralevolutionandtheapparentbreakdownofArchardscaling[J].ActaMaterialia,2010,58（12）:4137-4148.李光玉，程仲基件麗媛，等.AZ91D鎂合金化學鍍Ni-P/Ni-W-P雙層鍍層研究J].材料科學與工藝2009,17（4）:527-530丄1Guan-gyu,CHENGZhong-ji,NiuLi-yuan,etal.ElectrolessNi-P/Ni-W-PcoatingsonAZ91Dmagnesiumalloy[J].MaterialsScience&Technology,2009,17（4）:527-530.PalaniappaM,SeshadriSK.FrictionandwearbehaviorofelectrolessNi-PandNi-W-Palloycoatings[J].Wear,2008,265（5/6）:735-740.SriramanKR,GaneshSRS,SeshadriSK.SynthesisandevaluationofhardnessandslidingwearresistanceofelectrodepositednanocrystallineNi-Walloys[J].MaterialsScienceandEngineeringA,2006,418（1/2）:303-311.HEFeng-jiao,WANGMiao,LUXin.PropertiesofelectrodepositedamorphousFe-Ni-Walloydeposits[J].TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2006,16（6）:1289-1294.HogmarkS,HedenqvistP.Tribologicalcharacterizationofthinhardcoatings[J].Wear,1994,179（1/2）:147-154.蔡濱，譚業(yè)發(fā),蔣國良，等.（W,Ti）C/石墨/鎳基合金復合鍍層摩擦磨損性能研究J].兵工學報,2011,32（2）:192-198.CAIBin,TANYe-fa,JIANGGuo-liang,etal.Researchonfrictionandwearpropertyof（W,Ti）C/graphite/Ni-alloycompositecoatings[J].ActaArmamentarii,2011,32（2）:192-198.陳亞軍，王志平,紀朝輝，等?等離子與電弧噴涂Ni-Cr-Al鍍層結(jié)合強度和磨粒磨損性能[J].材料熱處理學報,2011,32（2）:119-12