加熱工藝對純鈦表面化學鍍Ni- P鍍層性能的影響

楊海彧

(西北有色金屬研究院，陜西 西安 710016)

鈦及鈦合金具有強度- 質量比較高、耐腐蝕性能良好和非磁性及線膨脹系數小等優點，被廣泛應用于航天航空、兵器、石油、化工、汽車、醫療器械、艦船等工業領域[1- 3]。但是，鈦及其合金硬度較低，耐磨性能較差，限制了它的應用[4- 5]。

化學鍍不需要電源，可用于處理形狀復雜的工件以及深孔的內表面等。Ni- P鍍層均勻性和耐磨耐蝕性好，還具備磁性屏蔽等物化學性能，硬度與鍍鉻層相當，可以取代鉻鍍層[6- 8]。因此，采用適當的化學鍍工藝在鈦及其合金表面制備與基體結合力良好的Ni- P鍍層，已成為研究的熱點。

本文研究了純鈦化學鍍Ni- P鍍層的前處理、鍍覆工藝以及鍍層的加熱工藝。通過掃描電鏡和X射線衍射研究了Ni- P鍍層的表面形貌和相組成，測定了鍍層的硬度和摩擦因數。

1 試驗用材料和方法

1.1 工藝流程

砂紙打磨—乙酸乙酯超聲除油—HF酸硝酸溶液去除氧化皮—化學鍍鎳磷鍍層—水洗—加熱。

1.2 試樣及前處理

將TA1純鈦片線切割成25 mm×15 mm×2 mm的薄片，用砂紙打磨后，超聲除油，再用HF酸硝酸溶液去除氧化皮。

1.3 鍍層制備

Ni- P合金鍍液的成分：氯化鎳50 g/L，氨基磺酸鎳20 g/L，次亞磷酸納20 g/L，檸檬酸10 g/L，乙酸10mL/L，再加入適量的絡合劑，用氨水調節至pH=4.8，溫度85 ℃，施鍍時間3 h。

1.4 鍍層加熱

將Ni- P鍍層分別在300、350、400 和 450 ℃加熱2 h。

1.5 鍍層性能

采用6460型掃描電子顯微鏡(SEM)觀察鍍層形貌及其組織；采用D8- Advance型X- 射線衍射儀(XRD)確定鍍層的相組成；采用401MVD型顯微硬度計測定鍍層的硬度，試驗力100 g，保壓時間30 s，取5次測試的平均值。采用MS- T3000型摩擦磨損試驗儀測定鍍層的摩擦因數，對摩副為Si3N4球，試驗力100 g，轉速1 000 r/min，磨損時間30 min。

2 結果與討論

2.1 鍍層的表面形貌和成分

Ni- P鍍層的表面形貌如圖1所示。從圖1中可以看出，鍍層的表面狀況良好，無裂紋、鼓泡等缺陷。

圖1 Ni- P鍍層的表面形貌Fig.1 Appearance of the Ni- P coating

試樣表面經過刻蝕，凹凸不平，與鍍層犬牙交錯，鍍層與基體的結合緊密、無缺陷。鍍層厚度均勻，為9.1～9.2 μm。

2.2 鍍層的相組成

加熱直接影響Ni- P鍍層的相組成。將施鍍2 h 得到的Ni- P鍍層分別在300、350、400和450 ℃加熱2 h，加熱爐的真空度為10-1Pa。鍍層的XRD圖譜如圖3所示。圖3表明，300 ℃加熱后的鍍層，衍射圖上出現Ni 和Ni5P4衍射峰，未發現Ni3P，表明鍍層中開始出現晶體組織，Ni- P鍍層開始晶化，除了析出鎳固溶體外，絕大部分轉化為亞穩定態的Ni5P4。在350 ℃加熱后，鍍層中出現Ni3P衍射峰，但Ni5P4衍射峰很強，Ni3P衍射峰的出現說明部分Ni5P4開始轉化為穩定的Ni3P相。400 ℃加熱后，鍍層全部為Ni3P，檢測不出Ni5P4，說明Ni5P4已經完全轉化為Ni3P。此時，鍍層結構已由非晶態完全轉變為高度彌散的Ni3P相[9]。經450 ℃加熱后，Ni3P顆粒聚集長大，鍍層只有Ni3P。

圖3 在不同溫度加熱2 h后Ni- P鍍層的XRD圖譜Fig.3 XRD patterns of the Ni- P coating after heating at different temperatures for 2 h

2.3 加熱工藝對Ni- P合金鍍層硬度和耐磨性的影響

加熱直接影響Ni- P合金的硬度。圖4為鍍層硬度隨加熱溫度的變化。從圖4可以看出：鍍層硬度隨加熱溫度的升高而增加，但是變化幅度越來越小。其原因是300 ℃加熱后鍍層中僅有部分Ni- P相轉化為Ni3P相，還有Ni5P4、Ni8P9等相存在。隨著加熱溫度的升高，鍍層中Ni- P相的晶體逐步轉化成硬度較高的Ni3P晶體。當加熱溫度達到400 ℃時，鍍層已基本轉化為Ni3P晶體，XRD圖中已無過渡態的Ni5P4相。

圖4 鍍層硬度隨加熱溫度的變化Fig.4 Hardness of the Ni- P coating as a function of the heating temperatures

圖5為不同溫度加熱后鍍層的摩擦因數隨摩擦時間的變化。表1列出了不同溫度加熱后鍍層的最大摩擦因數和平均摩擦因數。從表1可以看出，鍍層的平均摩擦因數隨著加熱溫度的升高，先下降到0.3，再略微上升。其原因為，隨著加熱溫度的升高，鍍層硬度越來越高，耐磨性提高。400 ℃加熱的鍍層的平均摩擦因數最小。隨著加熱溫度的繼續升高，彌散的Ni3P顆粒開始緩慢聚集長大，導致鍍層的平均摩擦因數增大。

圖5 在不同溫度加熱后Ni- P鍍層的摩擦因數隨摩擦試驗時間的變化Fig.5 Friction coefficient of the Ni- P coating heated at different temperatures as a function of friction test time

表1 在不同溫度加熱后Ni- P鍍層的最大摩擦因數和平均摩擦因數Table 1 Maximum friction coefficient and average friction coefficient of the Ni- P coating heated at different temperatures

3 結論

(1)鈦表面可以化學鍍Ni- P鍍層，鍍層與基體結合良好。

(2)對Ni- P鍍層加熱會影響鍍層的相組成。300 ℃加熱后，鍍層中出現晶體結構，開始晶化，大部分從非晶態轉化為亞穩定相的Ni5P4。400 ℃加熱后，鍍層結構已由非晶態完全轉變為高度彌散的穩定的Ni3P相。

(3)400 ℃加熱的Ni- P鍍層硬度最高，達910 HV0.1，摩擦因數最小，低于0.35。