熱處理溫度對網球拍用鈦合金表面Ni-P合金鍍層性能的影響

(西安體育學院,西安 710016)

隨著網球運動的不斷發展，現有材料已不能滿足網球運動員對網球拍強度、韌性的要求，探究新的網球拍用材料也成了研究的熱點。鈦合金密度小，比強度高，力學性能優異，非常契合高級網球拍的使用要求[1]。但是鈦及鈦合金硬度較低、耐磨性能差，限制了鈦及鈦合金的應用[2-3]。選擇適當的工藝，在鈦及鈦合金表面獲得結合力良好的Ni-P鍍層[4-5]，可以改善鈦合金耐磨性差及硬度低等問題。

本工作采用化學鍍方法在鈦合金基體表面制取Ni-P合金鍍層,并對合金鍍層進行了不同溫度的熱處理。通過掃描電鏡和X射線衍射儀表征了Ni-P合金鍍層的表面形貌和相組成，并對鍍層硬度和摩擦因數進行了檢測和分析。

1 試驗

1.1 鍍層制備

選取Ti-6Al-4V鈦合金為基體材料,將其線切割成25 mm×15 mm×2 mm的試片，用細砂紙打磨試片，然后在乙酸乙酯中進行超聲除油，再用氫氟酸硝酸溶液去除試片表面氧化皮。完成以上前處理后，將試片置于Ni-P合金鍍液中進行化學鍍,施鍍時間為2 h,鍍液溫度為88 ℃。化學鍍結束后，取出試片，用水沖洗干凈，然后將表面鍍覆Ni-P合金鍍層的試片分別在300,350,400,450 ℃及真空(真空度0.1 Pa)條件下熱處理2 h。

Ni-P合金鍍液由30 g/L硫酸鎳、30 g/L次亞磷酸納、20 g/L檸檬酸納、20 g/L谷氨酸組成，向鍍液中加入適宜的絡合劑與緩沖劑，并用氨水調節其pH至5。

1.2 鍍層的性能測試

采用MS-2600型掃描電子顯微鏡(SEM)對Ni-P合金鍍層的形貌及組織結構進行觀察；采用D8-Advance型X-射線衍射儀(XRD)確定Ni-P合金鍍層的相組成；采用401MVD型顯微維氏硬度計測量Ni-P合金鍍層的顯微維氏硬度，載荷4.9 N，保壓時間15 s，結果取5次測試的平均值。采用蘭州中科凱華公司研制的MS-T3000型摩擦磨損試驗儀測試Ni-P合金鍍層的摩擦因數。對磨副采用SiN球，載荷為1.96 N，轉速為500 r/min，磨損時間為30 min。

2 結果與討論

2.1 鍍層的表面形貌與成分

Ni-P合金鍍層的表面形貌如圖1所示。從圖1中可以看出,鍍層的表面形貌良好，無裂紋、鼓泡等現象，鍍層結構致密均勻。

圖1 Ni-P合金鍍層的表面形貌Fig. 1 Surface morphology of the Ni-P alloy coating

Ni-P合金鍍層的截面形貌如圖2所示。從圖2可以看到:Ti-6Al-4V基體表面經過刻蝕凹凸不平，與鍍層犬牙交錯，界面處結合緊密、無缺陷,與文獻[6]結果一致；鍍層厚度均勻，為14.2～14.4 μm。

圖2 Ni-P合金鍍層的截面形貌Fig. 2Cross-section morphology of the Ni-P alloy coating

2.2 鍍層的相組成

圖3為熱處理后Ni-P合金鍍層的相組成。從圖3中可以看到：在300 ℃熱處理后，鍍層的XRD譜中出現Ni以及Ni5P4的衍射峰，未發現Ni3P的衍射峰，這表明鍍層中開始出現晶體結構，Ni-P合金開始晶化，除了析出鎳固溶體外，絕大部分轉化為亞穩態的Ni5P4；在350 ℃熱處理后，鍍層中出現了Ni3P的衍射峰，但是Ni5P4的衍射峰仍然很強，這說明在350 ℃熱處理過程中，鍍層中部分Ni5P4開始轉化為穩定的Ni3P相；在400 ℃熱處理后，鍍層XRD譜中只有Ni3P的衍射峰，未發現Ni5P4的衍射峰，這說明Ni5P4已經完全轉化為Ni3P，此時合金鍍層結構已由未經熱處理時的非晶態(見圖4)完全轉變為高度彌散的Ni3P相[7]；在450 ℃熱處理后，鍍層也只有Ni3P存在，但Ni3P顆粒開始聚集長大。

圖3 不同溫度熱處理2 h后Ni-P合金鍍層的XRD譜Fig. 3 XRD patterns of Ni-P alloy coating after 2 h heat treatment at different temperatures

圖4 熱處理前Ni-P合金鍍層的XRD譜Fig. 4 XRD pattern of Ni-P alloy coating before heat treatment

2.3 鍍層的顯微硬度和耐磨性能

圖5為不同溫度熱處理后Ni-P合金鍍層的顯微硬度。從圖5中可以看出：隨熱處理溫度的升高，鍍層的顯微硬度先小幅增大，后大幅增大，再小幅減小。鍍層顯微硬度的變化與鍍層中的相結構密切相關。300 ℃熱處理后，鍍層開始發生從非晶態轉變成亞穩態的Ni5P4，沒有出現硬質相Ni3P;350 ℃熱處理后，鍍層中部分Ni5P4轉變為Ni3P，因此顯微硬度小幅增大；400 ℃熱處理后，鍍層中的Ni5P4完全轉變成Ni3P硬質相，故此時鍍層的顯微硬度大幅增大；450 ℃熱處理后，雖然鍍層也全部由Ni3P相組成，但Ni3P顆粒聚集長大，因此與400 ℃熱處理后鍍層相比，顯微硬度會略微降低。

圖5 Ni-P鍍層的顯微維氏硬度隨熱處理溫度的變化Fig. 5 The hardness of Ni-P alloy coating after heat treatment at different temperatures

對不同溫度熱處理后Ni-P合金鍍層的摩擦磨損試驗結果進行統計，并列于表1中。從表1中可以看出：隨著熱處理溫度升高，鍍層的摩擦因數和磨損量都呈現先降低后升高的趨勢，且都在熱處理溫度為400 ℃達到最低值，分別為0.3和0.002 5 g。這是因為鍍層的耐磨性能主要取決于硬度，硬度越大，耐磨性能越好。因此，隨著熱處理溫度的升高，鍍層的顯微硬度逐漸增大，耐磨性能提高；當熱處理溫度達到400 ℃時，其顯微硬度最大，耐磨性能也最好；溫度繼續升高，鍍層中彌散的Ni3P相開始慢慢聚集長大，顯微硬度降低，耐磨性能也隨之降低。

表1 不同溫度熱處理后Ni-P合金鍍層的摩擦因數及磨損量Tab. 1 The friction coefficient and wear loss of Ni-P alloy coating after heat treatment at different temperatures

3 結論

(1) 通過化學鍍在Ti-6Al-4V基體表面制備了與基體結合強度良好的Ni-P合金鍍層。

(2) 熱處理可以直接影響Ni-P合金鍍層的相組成。300 ℃熱處理后，鍍層中已經出現晶體結構，合金開始晶化，大部分Ni-P合金從非晶態轉化為亞穩定的Ni5P4相。經400 ℃熱處理后，合金鍍層結構已由非晶態完全轉變為高度彌散的穩定Ni3P相。

(3) 熱處理溫度400 ℃時，Ni-P合金鍍層的顯微硬度最高，達到910 HV，耐磨性最好。

參考文獻：

[1] 吳全興. 鈦制網球拍[J]. 稀有金屬材料與工程,1992,21:68.

[2] RAO C R K,PUSHPAVANAM M. Electroless deposition of platinum on titanium substrates[J]. Materials Chemistry and Physics,2001,68(1/3):62-65.

[3] POONDLA N,SRIVATSAN T S,PATNAIK A,et al. A study of the microstructure and hardness of two titanium alloys:commercially pure and Ti-6Al-4V[J]. Journal of Alloys and Compounds,2009,486(1/2):162.

[4] RAMASESHAN R,SESHADRI S K,NAI N G. Electroless nickel-phosphorus coating on Ti and Al elemental powders[J]. Scripta Materialia,2001,45(5):183-189.

[5] 王加柱. 鑄鐵內孔化學鍍Ni-P合金[J]. 材料保護,1993,26(5):41-42.

[6] 唐恩軍,劉智,趙云強. 鈦合金化學鍍Ni-P合金工藝的研究[J]. 電鍍與環保,2003,23(4):21-22.

[7] 洪波,姜傳海,王新建,等. Ni-P非晶薄膜晶化相與相變動力學的XRD分析[J]. 金屬學報,2006,42(7):699-702.