電刷鍍In及Ni-W(D)復合鍍層的成型模具粘著磨損修復*

陳元迪

(廣州航海學院 船舶工程系，廣東 廣州 510725)

?

電刷鍍In及Ni-W(D)復合鍍層的成型模具粘著磨損修復*

陳元迪

(廣州航海學院 船舶工程系，廣東 廣州 510725)

摘要：使用掃描電鏡觀察和分析了滾壓不銹鋼鋼管成型模具的表面磨損特性和形貌，分析了粘著磨損的形成機理，在Cr12MoV模具鋼上電刷鍍制備了具有良好自潤滑性和減磨性能的In和Cu鍍層作為工作層，而基層電刷鍍了具有高硬度、高耐磨性的Ni-W(D)鍍層，形成了In及Ni-W(D)和Cu及Ni-W(D)復合鍍層，把這2種復合鍍層分別與1Cr18Ni9Ti奧氏體不銹鋼進行了磨損對比試驗分析，同時使用掃描電鏡觀察和分析了這2種復合鍍層的表面磨損特性和形貌。結果表明，Cu及Ni-W(D)復合鍍層在磨損試驗的前150 min磨損失重明顯，磨損失重率達到0.105%，但仍具有一定的抗粘著磨損能力。而In及Ni-W(D)復合鍍層磨損失重很小，磨損失重率僅為0.024 6%，顯示出了在加工強度較高的不銹鋼件時具有更為優良的抗粘著磨損性能。最終采用電刷鍍In及Ni-W(D)復合鍍層修復了模具，使模具的抗粘著磨損能力及綜合耐磨性得到了明顯提高，模具使用壽命得到了延長，取得了良好的經濟效益。

關鍵詞：In及Ni-W(D)復合鍍層；Cu及Ni-W(D)復合鍍層；電刷鍍；粘著磨損；奧氏體不銹鋼；模具修復

在各類板材成型加工過程中大量使用各種成型模具，這類模具的表面磨損失效是其主要損壞形式。在不銹鋼管的成型加工中最容易發生的是粘著磨損。電刷鍍技術可在材料表面獲得不同性能的電沉積金屬或合金鍍層，應用于零件表面磨損的維修已得到了廣泛的應用[1-2]，其突出優點是工藝靈活、鍍層多樣、性能良好和成本低等。本文對滾壓不銹鋼管成型模具的粘著磨損失效現象進行了分析，制備了In及Ni-W(D)復合鍍層，In鍍層作為抗粘著磨損的工作層，Ni-W(D)鍍層作為尺寸修復層支撐層，作為性能對比還制備了Cu及Ni-W(D)復合鍍層。In、Cu鍍層都具有良好的減磨性和自潤滑性[3-4]，而Ni-W(D)合金鍍層具很高的硬度和耐磨性，與基體金屬有良好的結合力，在模具鋼的磨損修復中得到了廣泛的應用[5]。在粘著磨損模具的修復時，合理選用復合鍍層明顯提高了模具抗粘著磨損能力及其使用壽命，成功地修復了模具。

1模具磨損失效分析和鍍層設計

1.1模具磨損失效分析

圖1　不銹鋼管成型模具

不銹鋼管冷卷軋成型模具如圖1所示，其材料為Cr12MoV，硬度為63～63.5 HRC。用來冷卷軋不銹鋼管的材料為1Cr18Ni9Ti，屬于奧氏體不銹鋼，其硬度約為30 HRC，兩者硬度差較大。但這種不銹鋼的屈服強度卻比較高，在滾軋成型時所需的能量較大，原因是奧氏體不銹鋼在變形過程中產生加工硬化的速度很快，導致了在加工過程中強度和硬度迅速提高[6-8]。

不銹鋼管在滾軋成型時，多對不同尺寸的模具以25～30 r/min轉動，使不銹鋼板逐漸變形、成型，在此過程中模具與鋼板都受到了巨大的正壓力和滑動摩擦力。在這2個力的持續作用下，較軟的金屬表面產生強烈的塑性變形，其表面的污染膜、油膜和氧化膜等被迅速地破壞，在強大的正壓力下，就可能在這對摩擦副間產生固相粘著焊合現象。如果外力大于這個焊合點處的結合力，就會在結合點處產生剪切斷裂，這個斷裂面往往發生在強度較低的金屬側，這時強度較高一側的金屬表面就粘著了從較軟側金屬上撕裂下來的金屬，這種現象就是物質轉移，也就是粘著磨損[9-10]。

圖2　　　模具磨損面掃描　　　電鏡圖(400×)

模具磨損面掃描電鏡圖如圖2所示。由圖2可以看出，不銹鋼管滾軋成型模具的表面磨損呈現出了明顯的粘著磨損特點，模具表面粘著了很多不銹鋼撕裂物質，這一點在磨損失重曲線圖中也表現得非常明顯。從Cr12鋼的磨損失重曲線(見圖3)可以看到，磨損初期出現了正常的磨損失重，到了150 min后逐漸出現了增重現象，并在250～300 min時達到最大，這表明對磨件之間出現了不銹鋼工件上的物料轉移到了Cr12模具鋼上。

圖3　In鍍層、Cu鍍層和Cr12磨損失重曲線圖

不銹鋼管的材質原本硬度較低，但磨具上的粘著物在反復軋制過程中產生了加工硬化，形成了硬質點，首先對被加工的不銹鋼材表面產生劃擦磨損，影響產品的表面粗糙度，最后會在持續擠壓摩擦過程中從磨具上剝落下來，且在剝落過程中，有的地方還會從模具表面撕裂下部分材料，并在磨具表面形成很小的麻點，最終導致磨具失效損壞。

1.2鍍層設計

根據上述對模具表面磨損機理的分析，確定采用軟金屬鍍層In或Cu作為抗粘著磨損的工作鍍層。這2種金屬都具有較好的減磨性及自潤滑性能，而且具備良好的電刷鍍工藝性能，與大部分金屬都有良好的結合力和附著力，其中In的性能尤為突出[11]，但其價格比Cu貴。然而這類自潤滑性能好的鍍層材料一般硬度都很低，只能刷鍍薄薄的一層用來改善抗粘著能力。應用于磨損件的修復時還要修復磨損掉的尺寸誤差，所以在工作層下面還應該刷鍍一層尺寸修復底層，這層鍍層在硬度上至少應與原工件一樣，甚至高于原工件。尺寸修復鍍層采用Ni-W(D)合金鍍層，這種鍍層具有高的硬度和良好的耐磨粒磨損性能，鍍層與大多數金屬有著良好的結合力，鍍層應力小，刷鍍工藝性能良好。采用這樣的復合鍍層修復的工件才能具有良好的綜合抗粘著磨損能力。

制備了3副對磨件：第1副對磨件的一半是在Cr12MoV模具鋼試件上電刷鍍In及Ni-W(D)復合鍍層；作為對比試驗，第2副對磨件的一半是在Cr12MoV模具鋼試件上電刷鍍Cu及Ni-W(D)復合鍍層；第3副對磨件的一半是沒有任何鍍層的Cr12MoV模具鋼試件，對磨件的另一半都是1Cr18Ni9Ti不銹鋼。在MPX—2000銷盤式摩擦磨損試驗機上進行對磨試驗，并對鍍層磨損情況做了掃描電鏡分析。

1.3鍍層磨損性能分析

圖4　　　Cu鍍層磨損表面圖　　　(400×)

Cu及Ni-W(D)復合鍍層的磨損表面圖如圖4所示。由圖4可知，Cu雖有較好的自潤滑作用，表面磨損特征沒有出現粘著磨損現象，在磨損后期失重量也趨于平穩，體現出了一定的抗粘著磨損能力；但前100 min磨損量很大，磨損表面圖體現出了明顯的犁溝狀磨損痕跡，表現出在與不銹鋼對磨時的整體耐磨性能并不理想。

圖5　　　In鍍層磨損表面圖　　　(400×)

In及Ni-W(D)復合鍍層的磨損表面圖如圖5所示。從圖3和圖5中可以看出，In及Ni-W(D)復合鍍層的磨損失重很少，在25 min后很快就進入了相對平穩的磨損失重過程。磨損表面顯示了細小的劃痕特征，完全沒有粘著磨損痕跡。分析認為，因為In具有良好的自潤滑性，和基層金屬結合力良好，附著力強，其硬度很低，在摩擦過程中，In鍍層本身在擠壓力及滑動摩擦力的作用下產生一種粘流態的流動層，相當于一層油膜，起到了良好的潤滑作用，所以具有很好的抗粘著能力。由于In鍍層硬度極低，幾乎沒有抗磨粒磨損能力，在In鍍層下先刷鍍一層Ni-W(D)合金鍍層，這層鍍層既是磨損件的磨損尺寸的修補層，同時又是極好的支承層，因為Ni-W(D)合金鍍層具有良好的層間結合力，具有高的硬度和優良的耐磨性，這種復合鍍層設計能更好地發揮整體修復鍍層的抗粘著磨損能力。通過試驗對比，最終采用了In及Ni-W(D)復合鍍層來修復模具。

圖6　　　復合鍍層與基材結合　　　斷面圖(500×)

In及Ni-W(D)復合鍍層與基材結合斷面圖如圖6所示。試驗采用45鋼板為基材，在上面電刷鍍In及Ni-W(D)復合鍍層，左側白色層是In鍍層，中間黑色層是Ni-W(D)鍍層，右側是45鋼基材。由圖6可以看出，各鍍層間結合良好，把鍍層試件彎曲到120°時，鍍層沒有發生開裂、剝落等現象，說明這種電刷鍍復合鍍層結合力良好。

但也注意到隨著磨損時間的推移，磨損失重量一直在緩慢增加，故在中、低載荷時表現出了良好的減磨性，但在重載荷時可能因重載擠壓使粘流狀In鍍層被擠壓，從基體表面分離流失，迅速破壞In鍍層的抗粘著磨損能力。

2In層電刷鍍工藝及優化

對Cr12MoV模具表面的電刷鍍工藝為：表面準備→電凈→冷水沖洗→1號活化液活化→冷水沖洗→3號活化液活化→冷水沖洗→特殊Ni打底刷鍍→冷水沖洗→Ni-W(D)刷鍍→冷水沖洗→In工作層電刷鍍。刷鍍參數經優化后選定為：電凈的工作電壓為10 V，正極性接法；1號活化的工作電壓為-1.6 V，反極性接法；3號活化的工作電壓為-8 V，反極性接法；電刷鍍特殊Ni的工作電壓為12 V，時間3 min，正極性接法；電刷鍍Ni-W(D)的工作電壓為11～12 V,時間60 min，正極性接法；電刷鍍In工作層的工作電壓為8 V，時間45 min，正極性接法；刷鍍電流密度為20～50 A/dm2；刷鍍時陽極相對于工件的運動速度為6～8 m/min；刷鍍液的溫度為28 ℃。工作層銦刷鍍液的配方見表1，Ni-W(D)鍍液的配方見表2。

表1　銦鍍液的成分及含量

表2　NI-W(D)鍍液的成分及含量

圖7　鍍In鍍層修復后的模具

最終在已磨損的模具表面刷鍍了一層約20 μm厚的Ni-W(D)和約9 μm厚的In鍍層，經適度拋光后模具修復如新(見圖7)。經生產廠家使用后認為，完全達到了對模具的修復目的，延長了使用壽命。

3結語

綜上所述，可以得出如下結論。

1)在150 N以下的中、低載荷，并具有一定滑動摩擦的工況下工作的成型模具，電刷鍍In鍍層，可顯著改善模具的抗粘著能力，磨損試驗的失重圖和掃描電鏡金相圖很好地證明了這一點。

2)試驗表明，不銹鋼管成型滾壓模具的粘著磨損表面修復， 采用電刷鍍In及Ni-W(D)合金復合鍍層，不僅能修復磨損模具的尺寸，而且可使模具表面的抗粘著磨損的能力和整體耐磨性能得到提高，并能取得良好的經濟效益。

3)Cu工作鍍層雖具有一定的抗粘著磨損能力，但在與不銹鋼對磨時，整體鍍層的磨損失重量大，整體耐磨性不佳。

參考文獻

[1] 姜銀方,王宏宇.現代表面工程技術[M].北京:化學工業出版社,2014.

[2] 陳元迪，等.抽屜滑軌成型模具的Ni-W(D)合金電刷鍍修復[J].新技術新工藝,2003(9):48-49.

[3] 馬國政,等.環境壓強對電刷鍍In/Ni固體潤滑圖層摩擦學性能的影響[J].真空科學與技術學報，2011(2):154-158.

[4] 徐濱士,劉世參.表面工程新技術[M].北京:國防工業出版社,2002.

[5] 揭曉華,等.電刷鍍Ni-W(D)電刷鍍層的滑動磨損特性研究[J].磨擦學學報,2002(3):180-183.

[6] 董耕野,何孝美.不銹鋼制管模具失效分析及防止粘著磨損對策[J].鑄造技術,2007(8):1149-1150.

[7] 宋咚咚.奧氏體不銹鋼的耦合變形摩擦磨損試驗研究[D].上海:華東理工大學,2008.

[8] 李飛舟,梁燁. M35與GCr15干摩擦磨損性能的研究[J].新技術新工藝,2014(3):103-105.

[9] 高萬振,等.表面耐磨損與摩擦學材料設計[M].北京:化學工業出版社,2014.

[10] 王振廷,孟君晟. 摩擦磨損與耐磨材料[M]. 哈爾濱:哈爾濱工業大學出版社,2012.

[11] 司洪娟,徐濱士,王海斗,等. 納米電刷鍍In層真空輻照環境下摩擦學性能研究[J].工程材料,2011(2):79-84.

責任編輯鄭練

Repairing of Adhesive Wear for Forming Mould by Brush Plating In/Ni-W(D) Composite Coating

CHEN Yuandi

(Ship Engineering Department, Guangzhou Maritime Institute, Guangzhou 510725, China)

Abstract：The worn surface character and morphology of the stainless steel forming mould are observed and analyzed with a scanning electron microscope. The formation mechanism of adhesive wear is analyzed. To prepare the In and Cu work coating with the self-lubrication and antifriction on Cr12MoV steel by brush plated, The Ni-W(D) coating with high hardness and good abrasion resistance is used as a basic coating, forming In/Ni-W(D)and Cu/Ni-W(D) composite coating. The results of the worn test for composite coating and austenitic stainless steel are analyzed. The worn surface character and morphology of the composite coating are observed and analyzed with a scanning electron microscope. The results indicate that the wear mass loss is obviously for the Cu/Ni-W(D) composite coating before 120 min. The mass loss rate is 0.105%, but it has some ability of adhesive wear resistance. The mass loss rate of the In/Ni-W(D) composite coating is 0.024 6%. This composite coating shows the better property of the abrasive resistance when the work-piece with high strength and strain hardening. The mould is repaired by brushing the In/Ni-W(D) composite coating. The adhesive wear resistance and the life of mould are improved obviously. The good economic benefit is obtained.

Key words:In/Ni-W(D) composite coating, Cu/Ni-W(D) composite coating, brush plated, adhesive wear, austenitic stainless steel, mould repaired

收稿日期：2015-10-09

作者簡介：陳元迪(1957-)，男，副教授，主要從事船舶金屬材料及金屬機械零件的表面修復及改性，以及焊接技術應用等方面的研究。

中圖分類號：TG 174.4

文獻標志碼:A

* 廣州航海學院創新強校工程建設項目(特色創新類)(201414B06)