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

（常州大學 機械工程學院，江蘇 常州，213016）

N80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、鍍層結構、非晶態(tài)機理以及耐蝕性進行了大量研究[6?9]。化學鍍非晶態(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：C 0.42%，Si 0.40%，Mn 1.50%，P 0.011%，S 0.012%，Mo 0.20%，Ni 0.03%。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40～50 g/L，鍍液溫度為75～80 ℃，pH為6～8，陰極電流密度為10～150 mA/cm2。熱處理過程如下：在氫氣保護氣氛下，于500 ℃恒溫2 h，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/max 2500 PC X線衍射儀對其表面進行 XRD分析。通過 Veeco Wyko NT1100 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 實驗結果與分析

2.1 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。鍍層與基體結合界面致密、均勻，無裂紋和孔隙，厚度為38～39 μm，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合緊密，說明鍍層與基體的結合狀態(tài)良好。

圖1 Ni-W鍍層表面與界面形貌Fig.1 Surface and interface morphologies of Ni-W coating

2.2 EDS與XRD分析

圖2（a）所為Ni-W鍍層表面EDS分析結果，其化學元素（質(zhì)量分數(shù)）為：C 4.17%，O 1.22%，Ni 55.93%，W 38.68%，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 ℃晶化處理后，其硬度達到1 100。這是固溶強化和超細晶粒與高位錯密度共同作用的結果[6]。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)結構。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分析結果一致。

2.3 表面粗糙度

使用Veeco-Wykont 1100型非接觸式光學輪廓儀測量Ni-W鍍層表面粗糙度，其結果如圖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 736 nm×480 nm，取樣長度為163.42 nm。測得：輪廓算術平均偏差Ra=454.41 nm，均方根粗糙度 Rq=637.83 nm，輪廓總高度 Rt=37.62 μm。圖 3（c）和（d）所示為X和Y剖面粗糙度形貌，其測量結果如表1所示。電鍍Ni-W合金鍍層后對基體表面粗糙度小于500 nm，對于N80鋼的使用基本上沒有影響。基材表面粗糙度影響鍍層表面粗糙度，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2 Ni-W鍍層EDS與XRD分析結果Fig.2 XRD patterns and EDS analysis of crystalline Ni-W coating

圖3 Ni-W鍍層表面粗糙度分析Fig.3 Surface roughness of Ni-W coating

表1 X和Y剖面粗糙度測量結果Table 1 Measured results of Ni-W surface roughness in X and Y profiles

2.4 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5 N，試驗時間為120 min，往復頻率為500次/min，往復長度為5 mm。圖4所示為Ni-W鍍層在5 N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（0～10 min）、波動階段（10～50 min）和穩(wěn)定階段（50～120 min）。

圖4 摩擦因素與時間關系曲線Fig.4 Relationship between fraction coefficient and time

（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)。

2.5 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.5 Surface morphologies of Ni-W coating after wear

3 結論

（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1 100。

（2）Ni-W合金鍍層表面算術平均粗糙度為454.41 nm，在X和Y剖面算術平均粗糙度分別為0.31 μm和0.60 μm，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。

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