鎳磷基鍍層耐磨性的影響因素

袁皓， 葉雄， 唐振

（陸軍裝甲兵學院，北京 100072）

0 引言

Ni-P基鍍層具有高硬度、高耐磨性及較好的耐蝕性等優異的性能[1]，應用十分廣泛。然而在現代社會的發展過程中，對Ni-P基鍍層及其復合鍍層提出了越來越高的要求。Ni-P基鍍層耐磨性是衡量鍍層性能的重要指標。本文主要概述了幾種影響Ni-P基鍍層耐磨性的主要因素。

1 鍍層化學成分的影響

1.1 P含量的影響

鎳磷鍍層中的P含量可通過調整制備工藝來控制，而不同P含量又導致鍍層的組織結構不同，如非晶、納米晶或者混合晶等[2-3]。利用化學鍍方法制備的Ni-P鍍層中P含量就對鍍層結構有這樣的影響：鍍層呈現晶態（1%～6%）→混晶態（微晶+非晶）（6%～9%）→非晶態（9%～15%）[4]。復合鍍層中P含量較低時存在壓應力，鍍層磨損量較低。P含量較高時存在拉應力，鍍層脆性脫落嚴重，磨損量增大。對于Ni-P鍍層，隨著鍍層中P含量的增大，拉應力逐漸增大，磨損加劇。而P含量較低時，表現為黏著磨損[5]。鍍層組織結構按規律轉變時，硬度逐漸下降，而鍍態鍍層耐磨性一般會隨著硬度的降低而被削弱，所以P含量的提高會降低鍍態鍍層的耐磨性[6-9]。

1.2 其他元素的影響

加入其他化學元素有利于提高Ni-P鍍層的耐磨性，如W、Cr、Fe、Co，以及Cu元素等。Palaniappa M等[10]在Ni-P鍍層中加入W元素，發現W元素可提高鍍層的高溫耐磨性。這是因為W元素抑制Ni3P相的析出，Ni3P相較為細小，進一步又抑制Ni晶粒的長大，導致鍍層的晶粒細小，組織結構均勻致密，從而其硬度以及耐磨性大幅改善。然而有研究表明[11]，W元素不是越高越好。例如在鋁基體上化學鍍Ni-W-P時，W含量會導致鍍層破裂甚至剝落。這是由于鋁基體的熱膨脹系數與鍍層的不同，鋁基體內部存在張應力，而鍍層內部存在壓應力，W的加入進一步導致內應力的增大，導致鍍層開裂甚至剝落，鍍層的耐磨性隨之下降。也有研究發現，稀土元素會導致Ni-P鍍層耐磨性下降，究其原因，稀土元素導致鍍層的硬度下降，耐磨性隨之下降[12]。

1.3 第二相顆粒的影響

第二相顆粒也可提高Ni-P鍍層的耐磨性，如Al2O3顆粒和SiC顆粒等。王蘭等[13]研究發現，在Ni-P鍍層中加入SiC顆粒后，可促使潤滑油膜的形成。同時SiC顆粒在鍍層中彌散分布，可以提高鍍層的耐磨性。頓愛歡等[14]的研究結果表明，Al2O3顆粒不僅可以起到彌散強化的作用，并且在鍍層晶化過程中，可增加鍍層晶體形核率，同時還能抑制晶粒生長，使得鍍層的晶粒細小，進一步導致鍍層耐磨性得到了提高。金亞旭等[15]的研究發現，加入了鈦酸鉀的鍍層比Ni-P鍍層的耐磨性要好。因為Ni-P-PTW鍍層的“鑲嵌-包埋”結構有利于磨損過程中的自動補償。即在磨損過程中，凸起的鈦酸鉀晶須被削斷，從鍍層上脫落下來，填充到凹凸不平的鍍層表面上去，使得兩摩擦副之間有一層致密的保護膜，阻斷了兩摩擦副的直接接觸。同時鈦酸鉀晶須自身高強高韌性以及塑變抗力，可起到“滾珠軸承”作用，提高了鍍層的耐磨性。

2 鍍層與基體間結合力的影響

Ni-W-P鍍層經過熱處理后，鍍層與基體之間會形成擴散層，這層擴散層有增強鍍層與基體結合力的作用，進而提高鍍層的耐磨性[16-17]。分析后認為，鍍層與基體的交界處形成了Ni-Fe合金擴散層，增強了鍍層與基體間的結合力，同時鍍層內部的孔洞數量減少，鍍層更加致密[18]，從而使鍍層的耐磨性得到了提高。胡永俊等[11]在鋁基體上電沉積Ni-W-P后，又對其進行熱處理，發現較低溫度（200℃）的熱處理不能使鍍層與基體之間形成擴散層，而高于400℃以上時，會形成包含Ni和Al的中間化合物的擴散層。從而提高了界面結合力，改善了鍍層的耐磨性。Tsai Y Y等[19]的研究結果表明，Ni-W-P鍍層裂紋的尺寸和數量都較Ni-P鍍層的少，因此其耐磨性也較好。

3 鍍層硬度的影響

硬度可直接影響Ni-P基鍍層的耐磨性，這是因為Ni-P基鍍層中一般含有Ni3P相，Ni3P對鍍層具有彌散強化的作用，并且對Ni晶體具有固溶強化的作用，硬度高的鍍層耐磨性好[20-21]。有研究表明[4]：鍍態為非晶態結構的合金鍍層，在Ni3P相析出之前，鍍層硬度較低，耐磨性較差。對鍍層進行晶化處理后，若鍍層中仍有較多的非晶相，雖然Ni3P相硬度高，但由于非晶相硬度較低，使得基體對強化相Ni3P支撐不足，仍然會使鍍層的耐磨性較差。當強化相Ni3P晶粒細小、均勻地分布在晶態的Ni基體中時，鍍層的整體硬度提高，同時給予強化相Ni3P足夠的支撐，從而最大程度地發揮鍍層的耐磨性。

4 激光處理的影響

對Ni-P基鍍層進行激光掃描，可以使得鍍層析出Ni3P相、發生晶化等，致使鍍層的耐磨性得到提高。不同參數的激光對鍍層的影響也不同，當激光掃描速度較慢時，外界對鍍層的入射能量較大，鍍層中會析出Ni3P相，而且一旦析出便會聚集以及長大等，鍍層中晶粒就會發生粗化，鍍層的耐磨性較差，反之亦然[22]。研究者發現激光處理對鍍層的處理效果優于熱處理的效果，這是由于激光的能量密度很高，對鍍層進行處理時，鍍層內析出的Ni3P相比熱處理的要多，而且尺寸較熱處理后的小，造成鍍層中更大的晶格畸變，鍍層的耐磨性提高[23]。

5 熱處理的影響

謝維立等[24]發現經180℃熱處理的試樣耐磨性最好。人們對熱處理過程中Ni-P鍍層的相變行為進行了大量的研究，通常認為，熱處理能夠使得鍍層析出Ni3P，是Ni-P鍍層表面顯微硬度得到提高的主要機制，從而改善鍍層的硬度，進而鍍層的耐磨性得到提高[25-26]。鄭曉華等[27]發現，微晶結構的Ni-P合金鍍層經過400℃熱處理后，鍍層硬度達到最大值，此時的鍍層耐磨性最優。王文昌、王麗麗等[28-29]對非晶態Ni-P鍍層熱處理，結果表明，熱處理顯著提高鍍層的耐磨性，但是熱處理時間對鍍層耐磨性的影響很小。還有研究發現，鍍層耐磨性隨著退火溫度的升高而提升[30-31]。王政君等[32]在不同的熱處理溫度下加熱Ni-P鍍層，結果表明經500℃熱處理后，鍍層由非晶態轉變為晶態，同時Ni3P相析出，鍍層的耐磨性顯著提高。

6 攪拌方式的影響

制備Ni-P基復合鍍層時，通常所用的攪拌方式有超聲攪拌和機械攪拌，實驗研究表明，混合攪拌方式的效果優于單一攪拌方式[33]。超聲攪拌有利于顆粒在鍍層中的均勻分布，但是過強的超聲攪拌會導致顆粒無法有效地復合到鍍層中，導致顆粒含量較低，鍍層的耐磨性較差。混合攪拌兼容了機械攪拌和超聲攪拌的優點，既能提高鍍層中顆粒的分布均勻性，同時還能提高顆粒含量，能夠進一步提高鍍層的耐磨性。復合鍍層在磨損過程中，首先是鎳磷鍍層脫落，之后鍍層內部的顆粒開始顯露，起到支撐載荷的作用，即提高鍍層內部的顆粒含量和均勻性有利于提高鍍層的耐磨性。

7 結論

Ni-P基鍍層的耐磨性受多方面因素的影響，包括化學成分、與基體的結合力、激光參數、熱處理、攪拌方式等。這些因素主要是通過影響鍍層的硬度，進而影響鍍層的耐磨性，一般來說，鍍層的硬度越高，耐磨性越好。其中鍍層與基體的結合力還受鍍層內的裂紋數量和尺寸的影響。