1 引言复合电沉积是近 30年发展起来的制备金属基复合材料的新方法。它通过将镀液中的碳化物、氮化物、氧化物以及有机微粒与基体金属或合金共同沉积到阴极表面 ,从而显著改善材料的表面性能<1～ 7> 。热处理可提高镀层与基体间的结合力由简单的机械结合变成冶金结合 ,从而可提高两者间的结合力 ;此外 ,还可以改变复合镀层的性能和组织结构 ,使其获得更好的表面性能<8,9> 。本文着重讨论氮碳共渗对Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层组织结构及性能的影响规律。2 试验方法2 1 镀液组成及工艺条件 6 0～ 90ｇ/ＬＮａ2 ＷＯ4 ·2Ｈ2 Ｏ ,30～ 40ｇ/ＬＮｉＳＯ4 ·Ｈ2 Ｏ ,络合剂 12 0～ 16 0 ｇ/Ｌ ,40～ 6 0 ｇ/ＬＳｉＣ ,添加剂 5 0～ 10 0ｍｌ/Ｌ ,阴极电流密度 8～ 15Ａ/ｄｍ2 ,槽液温度 30～ 6 0℃ ,ｐＨ值 4～ 7,工艺时间 2ｈ。2 2 氮碳共渗处理Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层在坩埚炉内进行氮碳共渗 ,坩埚材料为 1Ｃｒ18Ｎｉ9Ｔｉ不锈钢 ,电炉丝加热 ,温度 (5 80± 10 )℃ ,保温时间为 3ｈ ,盐浴中含有 34 %～ 36 %ＣＮＯ-,试样基体材料为45钢。2 3 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层的成分测定复合镀层的成分由ＥＤＡＸ910 0型电子能谱仪分析 ,定量分析结果为 (质量分数 ,% ) :5 0～ 5 5Ｎｉ,42～ 45Ｗ ,3～ 7 6ＳｉＣ。2 4 复合镀层的组织结构分析及性能测试用ＡＳＭ ＳＸ型扫描电镜观察镀层的表面形貌和显微组织 ,ＧＸ 3Ｂ型Ｘ射线衍射仪分析镀层的相结构 ,在ＨＸ 1显微硬度计上测量镀层的显微硬度 ,载荷砝码 10 0 ｇ。磨损试验在ＭＭ 2 0 0 0型磨损试验机上进行 ,上试样为ＧＣｒ15钢 ,硬度6 0ＨＲＣ ,下试样为被测物 ,转速为 40 0ｒ/ｍｉｎ ,载荷为 30 0Ｎ ,时间 3ｈ ,机油润滑。试样磨损前后的质量差采用ＧＴ 2Ａ型分析天平称量 ,试样的磨损率为单位滑动距离的质量差 (ｍｇ/ｋｍ)3 结果与讨论3 1 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层和扩散层的表面形貌与显微组织图 1和图 2分别是Ｎｉ Ｗ合金和Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层的表面形貌。从中可知 ,Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层的晶粒远比Ｎｉ Ｗ合金的细和均匀。这说明在Ｎｉ Ｗ合金中加入ＳｉＣ微粒可以阻碍Ｎｉ Ｗ合金晶粒的长大 ,从而提高复合镀层的硬度和耐磨性。图 1 Ｎｉ Ｗ合金的表面形貌Ｆｉｇ .1 ＳｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＮｉ Ｗａｌｌｏｙ图 2 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层的表面形貌Ｆｉｇ .2 ＳｕｒｆａｃｅｍｏｒｐｈｏｌｏｇｙｏｆＮｉ Ｗ ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇ 图 3是Ｎｉ Ｗ合金镀层的横截面显微组织 ,它是一条白亮带 ,其硬度明显高于基体的硬度。图 3 Ｎｉ Ｗ合金的横截面组织 × 40 0Ｆｉｇ .3 ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＮｉ Ｗａｌｌｏｙ (ＳＥＭ) × 40 0 图 4是Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层的镀态下的截面显微组织。由图可知 ,ＳｉＣ颗粒均匀地分散在镀层中 ,并且复合镀层与基体之间有一条明显的分界线。图 4 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层的截面显微组织 × 40 0Ｆｉｇ .4 ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＮｉ Ｗ ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇ(ＳＥＭ) × 40 0 图 5是Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层经氮碳共渗后的横截面显微组织。从图中可以看出 ,复合渗层的硬度由表及里逐渐降低 ,而且 ,共渗后的表层硬度明显高于Ｎｉ Ｗ合金层的硬度。由图 4和 5可知 ,共渗后复合镀层与基体间的分界线基本消失 ,这说明镀层有向基体扩散的趋势 ,有利于提高镀层与基体的结合力。图 5 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层经氮碳共渗后的截面显微组织 × 40 0Ｆｉｇ .5 ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｍｉｃｒｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆＮｉ Ｗ ＳｉＣａｆｔｅｒｎｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ (ＳＥＭ) × 40 0 图 6和 7分别是Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层经 5 0 0℃× 1ｈ热处图 6 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ经 5 0 0℃热处理 1ｈ后的截面形貌 × 2 0 0Ｆｉｇ .6 ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆＮｉ Ｗ ＳｉＣａｆｔｅｒｈｅａｔ ｔｒｅａｔｅｄａｔ 5 0 0℃ｆｏｒ 1ｈ × 2 0 0图 7 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ经氮碳共渗后的截面形貌 × 2 0 0Ｆｉｇ .7 ＣｒｏｓｓｓｅｃｔｉｏｎｏｆＮｉ Ｗ ＳｉＣａｆｔｅｒｎｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ × 2 0 0理和氮碳共渗后的截面形貌。从中可以看出 ,热处理方式不同 ,所得镀层的物相不同。在 5 0 0℃保温 1ｈ后 ,Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层的物相组成为Ｎｉ+ＳｉＣ +γ ＦｅＮｉ(少量 ) ,而 5 80℃氮碳共渗处理 3ｈ后的复合镀层 ,其物相组成为Ｎｉ+ＳｉＣ +ＷＣ +γ ＦｅＮｉ+ＷＮ。此外 ,从图中可以看出 ,其结晶状态也不一样。3 2 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层经氮碳共渗后的Ｘ射线衍射图图 8是Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层经氮碳共渗后的Ｘ射线衍射图。由图可见 ,复合渗层除了含有Ｎｉ的固溶体外 ,还含有ＷＣ ,ＷＮ ,ＳｉＣ和γ ＦｅＮｉ。这说明经氮碳共渗后基体中的Ｆｅ向镀层扩散 ,形成γ (ＦｅＮｉ)过渡相 ,从而提高了复合镀层与基体的结合力。图 8 复合镀层经氮碳共渗后的Ｘ射线衍射图Ｆｉｇ .8 Ｘ ｒａｙｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｐａｔｔｅｒｎｏｆＮｉ Ｗ ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇａｆｔｅｒｎｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ3 3 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层的硬度及耐磨性图 9是Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层经氮碳共渗后的硬度分布曲线。从图中可以看出 ,渗层表面的硬度最高 ,从表面往里 ,渗层硬度逐渐降低。当距表面超过 10 0 μｍ时 ,硬度变化很小 ,这意味着氮碳离子向深部扩散的机会减少。 Ｎｉ Ｗ合金及Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层在各种状态下的硬度和耐磨性如表 1所示。热处理方式不同 ,所得镀层的硬度和耐磨性相差较大。镀态时硬度最低 ,经 5 0 0℃× 1ｈ热处理后 ,由于产生镍固溶体 ,硬度有所提高。经过氮碳共渗后 ,除产生镍的固溶强化外 ,还有弥散强化相ＷＣ和ＷＮ生成 ,故镀层的硬度最高 ,耐磨性最好。 Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层在不同条件下的质量损失 滑动距离图 9 复合镀层的硬度变化曲线Ｆｉｇ .9 ＨａｒｄｎｅｓｓｃｕｒｖｅｏｆＮｉ Ｗ ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇａｆｔｅｒｎｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｉｎｇ曲线表明 ,在磨损初期 ,质量损失随着滑动距离的增加而呈直线上升 ,但当滑动一定距离后 ,曲线变得平缓。这是因为在开始阶段 ,主要磨去材料表面较软的灰质层 ,故磨损速率较大 ;随后摩擦表面变得光滑且有机油润滑 ,因此磨损速率降低。表 1 Ｎｉ Ｗ合金及Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层的硬度和耐磨性Ｔａｂｌｅ 1ＨａｒｄｎｅｓｓａｎｄｗｅａｒｒｅｓｉｓｔａｎｃｅｏｆＮｉ ＷａｌｌｏｙａｎｄＮｉ Ｗ ＳｉＣｃｏｍｐｏｓｉｔｅｃｏａｔｉｎｇｕｎｄｅｒｄｉｆｆｅｒｅｎｔｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ材料 状态 硬度 (ＨＶ)耐磨性 /ｍｇ .ｋｍ- 1Ｎｉ ＷＡｓｐｌａｔｅｄｓｔａｔｕｓ 563 4 35Ｎｉ Ｗ 50 0℃ ,1ｈＨｅａｔｔｒｅａｔｅｄ 736 3 1 9Ｎｉ ＷＮｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｅｄ 951 1 56Ｎｉ Ｗ ＳｉＣＡｓｐｌａｔｅｄｓｔａｔｕｓ 685 2 83Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ 50 0℃ ,1ｈＨｅａｔｔｒｅａｔｅｄ 1 0 30 1 92Ｎｉ Ｗ ＳｉＣＮｉｔｒｏｃａｒｂｕｒｉｚｅｄ 1 335 1 1 54 结论(1)ＳｉＣ微粒的引入 ,阻碍了Ｎｉ Ｗ合金晶粒的长大 ,并且降低了镀层的内应力。(2 )Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层经氮碳共渗后 ,出现了固溶强化和弥散强化 ,使镀层的硬度和耐磨性增强。(3)Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层经氮碳共渗后 ,渗层与基体金属的结合力明显加强 ,并且从机械结合转化为冶金结合。(4 )工业应用结果表明 ,经氮碳共渗处理后的Ｎｉ Ｗ ＳｉＣ复合镀层 ,其使用寿命明显优于未经共渗处理的复合镀层氮碳共渗对Ni-W-SiC复合镀层的组织及性能的影响@郭忠诚$昆明理工大学材料与冶金工程学院!云南昆明650093
@朱晓云$昆明理工大学材料与冶金工程学院!云南昆明650093Ni-W-SiC复合镀层;;
氮碳共渗;;
性能;;组织结构讨论了Ni W SiC复合镀层与氮碳共渗复合强化的组织结构及性能。结果表明 ,氮碳共渗后复合镀层的硬度和耐磨性远高于未氮碳共渗的复合镀层。扫描电镜结果表明 ,在共渗处理中 ,复合镀层存在硬度梯度 ,且基体中的铁向复合镀层扩散 ,形成“钉扎效应” ,显著提高了镀层与基体的结合力。X射线衍射表明 ,复合镀层经氮碳共渗后 ,产生很多新相 ,这些相的存在显著提高了复合镀层的硬度和耐磨性<1> GuoZhongcheng,ZhuXiaoyunandYangXianwan.Thermodynam icsofelectrodepositedNiB SiCcompositecoating
.TransactionsofNonferrousMetalsSocietyofChina,2001,11(5):800802.
<2> 郭忠诚,朱晓云,杨显万电沉积RE NiW P SiC复合材料镀层的阴极过程.材料保护,2001,34
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