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【簡(jiǎn)介】
（華東理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院承壓系統(tǒng)安全科學(xué)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200237）
摘要：選用純銅為基體材料，深入研究了電鍍Ni-P合金鍍液成分、工藝參數(shù)對(duì)鍍層成分、硬度和耐磨性的影響。對(duì)鍍層進(jìn)行EDS分析，得到了各參數(shù)變化時(shí)鍍層成分的變化規(guī)律以及磷含量與硬度的關(guān)系。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，找到了最匹配的配方，并獲得了性能優(yōu)良的“最合適鍍層”，并對(duì)此鍍層的形貌、硬度、耐磨性及結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了考察。
關(guān)鍵詞：結(jié)晶器；Ni-P合金；耐磨性；硬度
中圖分類號(hào)：TQ153;TG113.2文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1001-3814（2011）10-0147-04
結(jié)晶器是連鑄機(jī)的核心，工作時(shí)一直承受著鋼水靜壓力、摩擦力、鋼水熱量的傳遞，長(zhǎng)期處于機(jī)械應(yīng)力和熱應(yīng)力的綜合作用下，工作條件極為惡劣[1]。銅板作為結(jié)晶器的主要失效部件，其使用壽命決定了結(jié)晶器的生命周期。而表面鍍層的硬度、耐磨性、內(nèi)應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度是決定銅板壽命的主要性能指標(biāo)[2]。
實(shí)際工作中，結(jié)晶器銅板經(jīng)常因?yàn)楸砻娓邷啬p、熱裂紋和熱變形而失效。為了節(jié)約資源、增加企業(yè)的效益、使結(jié)晶器達(dá)到更高的壽命，人們對(duì)結(jié)晶器表面鍍層的研究越來(lái)越多，也越來(lái)越深入[3-5]。為了降低內(nèi)應(yīng)力、提高結(jié)合強(qiáng)度，作者采用了氨基磺酸系配方鍍單層鎳做底[6]、硫酸系配方鍍Ni-P合金的方法，在電鍍鎳磷合金時(shí)，針對(duì)鍍液成分和工藝參數(shù)（包括亞磷酸、pH、電流密度、溫度和攪拌）對(duì)鍍層硬度及耐磨性的影響進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，得到了各參數(shù)變化時(shí)硬度與耐磨性的規(guī)律。此后，對(duì)各Ni-P合金鍍層做EDS分析來(lái)測(cè)定鍍層中的含磷量，得到各參數(shù)變化時(shí)鍍層中P含量的變化規(guī)律以及鍍層中P含量與鍍層硬度的關(guān)系。最后從各實(shí)驗(yàn)條件中找出最匹配的配方，獲得了性能優(yōu)良的“最合適鍍層”，并且對(duì)鍍層的形貌、硬度、耐磨性及結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行了一系列考察。
1·實(shí)驗(yàn)部分
1.1鍍層制備
底層鎳鍍液組成：氨基磺酸鎳400g/L，氯化鎳10 g/L，硼酸30 g/L，加入適量潤(rùn)濕劑，調(diào)節(jié)pH=4.5，在電流密度4 A/dm2、60℃下施鍍40min。Ni-P合金鍍液組成：硫酸鎳240g/L，氯化鎳45g/L，硼酸35 g/L，亞磷酸變化范圍為10～30 g/L，pH=0.5～2.5，溫度60～75℃；電流1～3.5 A/dm2，加入適量潤(rùn)濕劑。為保持鍍層厚度大于30μm，施鍍時(shí)間2～3 h。
電鍍時(shí)采用純鎳板為陽(yáng)極，采用經(jīng)過(guò)鍍前預(yù)處理的30mm×8mm×10mm的純銅塊做陰極。
1.2鍍層成分與性能測(cè)試
采用HXD-1000TM型顯微硬度計(jì)測(cè)定鍍層的顯微硬度，載荷980N，保壓時(shí)間15s，取5次測(cè)試的平均值作為鍍層的顯微硬度。在MMS-2A型微機(jī)控制摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)上對(duì)不同鍍層進(jìn)行油潤(rùn)滑狀態(tài)下的摩擦磨損試驗(yàn)。對(duì)偶件下試樣選用準(zhǔn)35 mm的GCr15圓環(huán)，其硬度為58～62 HRC。上試樣為表面鍍覆Ni-P合金鍍層的銅塊，其尺寸為30mm×8mm×10 mm。油潤(rùn)滑條件下載荷為400 N，磨損時(shí)間為20 min，轉(zhuǎn)動(dòng)速度為200 r/min。磨損試驗(yàn)結(jié)束后，用JXD-B型讀數(shù)顯微鏡測(cè)量磨痕寬度，根據(jù)下式計(jì)算出磨損體積損失，并用以表征磨損率。
式中：R為磨痕截面扇形半徑；L為磨痕長(zhǎng)度；b為磨痕寬度。
用Nikon80i高分辨金相顯微鏡對(duì)鍍層形貌與磨痕進(jìn)行觀察。對(duì)各Ni-P合金鍍層進(jìn)行EDS分析，來(lái)測(cè)量鍍層中的磷含量。
2·結(jié)果與討論
2.1鍍液成分及各工藝參數(shù)的影響
圖1～圖5為亞磷酸及各工藝參數(shù)對(duì)硬度、磨損體積的影響。由圖1可看出，隨亞磷酸含量的增加，鍍層的硬度逐漸降低，磨損體積先增大后減小，即耐磨性先降低后增加；從圖2與圖3可以看出，隨著pH、電流密度的增加，硬度與耐磨性均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，在pH=1.4～1.5、電流密度為1.7～1.8 A/dm2時(shí)，硬度最高，耐磨性最好；從圖4可看出，隨溫度的升高，硬度與耐磨性逐漸增加。由圖5可看出，隨攪拌速度的增加，鍍層表面不斷析出的氫氣很好地被帶走，從而表面狀態(tài)越來(lái)越好，耐磨性也越來(lái)越好，而硬度先增大后減小，這與鍍層中含磷量有關(guān)，將在后面進(jìn)行討論。且可以看出，在本實(shí)驗(yàn)條件下，硬度與耐磨性變化規(guī)律基本一致，符合經(jīng)典的Archard定律[8]。
究其根本原因，可以把這些歸結(jié)為鍍層中P含量對(duì)硬度及耐磨性的影響[9]。通過(guò)對(duì)各合金鍍層進(jìn)行EDS分析，得到各參數(shù)變化時(shí)鍍層中P含量呈現(xiàn)出的變化規(guī)律，結(jié)果如圖6～圖10所示，并進(jìn)一步探討其規(guī)律形成的原因。
從圖6可以看出，隨鍍液中亞磷酸含量的增加，鍍層中P含量呈逐漸增大的趨勢(shì)，亞磷酸含量大于15 g/L時(shí)，鍍層中P含量上升很快；從圖7可以看出，隨pH值的增大，鍍層中磷含量呈逐漸減小的趨勢(shì)，pH＞1.5時(shí)，鍍層中磷含量急劇下降；從圖8可以看出，隨電流密度的增加，鍍層中P含量先減小后增大；從圖9可以看出，隨電鍍時(shí)溫度的升高，鍍層中P含量逐漸減小，變化較為平緩；從圖10可以看出，隨攪拌速度的增大，鍍層中P含量先增大后減小，可見(jiàn)適度的攪拌有助于鍍液的循環(huán)，使得陰極附近的鍍液中P含量不斷的得到補(bǔ)充，從而使得鍍層中磷含量增加，但攪拌速度過(guò)快時(shí)，由于鍍液波動(dòng)較大，并不利于P的沉積。由此可以看出，亞磷酸含量、pH、攪拌、電流密度，尤其是前三者是影響鍍層中P含量的主要因素。
對(duì)照前面得到的各參數(shù)對(duì)硬度、耐磨性的影響，可以看出：亞磷酸從10g/L變化到15g/L時(shí)，P含量由13.16%降至13.07%，鍍層硬度從620HV降至560 HV；亞磷酸從15 g/L變化到30 g/L時(shí)，P含量升至13.69%后，硬度逐漸降低至460HV。pH從0.5變化到1.5時(shí)，鍍層中P含量從13.04%增加到13.16%，硬度由520 HV增加到636 HV；pH從1.5變化到2.5時(shí)，鍍層中P含量急劇下降，由13.16%下降到8.44%，硬度也由636 HV急劇下降到524 HV，也由此可見(jiàn)鍍液的pH對(duì)鍍層影響很大，是一個(gè)必須嚴(yán)格控制的因素。電流密度從1A/dm2變化到1.5A/dm2時(shí)，鍍層中P含量由13.43%降至12.81%，此時(shí)鍍層硬度逐漸增大；電流密度從1.5A/dm2變化到3.2A/dm2時(shí)，鍍層中P含量由12.81%升至13.30%，此時(shí)鍍層硬度逐漸減小。溫度從65℃變化到75℃時(shí)，鍍層中P含量由13.29%降至13%，此時(shí)鍍層硬度由520 HV增加到568HV。攪拌時(shí)，鍍層中磷含量由12.38%升至13.07%時(shí)，鍍層硬度由500HV增加到560HV；鍍層中P含量由13.07%降至12.21%時(shí)，鍍層硬度由560HV降低到512HV。我們將各鍍層的硬度與P含量分別列出，得到的P含量與硬度的大致關(guān)系如圖11所示。可以看到，P含量為12%～14%時(shí)，鍍層硬度隨P含量的增加先增大后減小，當(dāng)P含量達(dá)到13.16%時(shí)，鍍層硬度達(dá)到最大值。
2.2最合適鍍層
根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，選擇硫酸鎳（240g/L）、氯化鎳（45 g/L）、硼酸（35 g/L）、亞磷酸（10 g/L），調(diào)節(jié)pH=1.1，在電流密度2A/dm2、70℃、小攪拌的條件下施鍍，得到的鍍層硬度達(dá)620 HV，磨損體積僅630.5×10-3mm3；其表面形貌如圖12所示，對(duì)其進(jìn)行磨損實(shí)驗(yàn)，磨損后形貌如圖13所示。由圖12可以看出，鍍層呈胞狀結(jié)構(gòu)，胞狀物小且均勻；磨損后劃痕小且不明顯。對(duì)其進(jìn)行400℃熱處理，熱處理后硬度達(dá)到1186 HV。熱處理后表面形貌如圖14所示，磨損實(shí)驗(yàn)后表面形貌如圖15所示。400℃熱處理時(shí)，鍍層表面析出的彌散分布的Ni3P相均勻且數(shù)量多、彌散程度良好，硬度與耐磨性均達(dá)到最好狀態(tài)。
2.3結(jié)合強(qiáng)度
按照輕工行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，通過(guò)銼刀法與加熱方法對(duì)“最合適鍍層”表面的結(jié)合強(qiáng)度進(jìn)行考察[10]，采用銼刀法時(shí)，用銼刀以和鍍層表面成45°夾角銼鍍層棱邊，銼痕小且光滑。采用加熱方法時(shí)，將試件加熱到250℃，保溫1 h，取出試樣后即放入25℃冷水，經(jīng)多次循環(huán)，表面無(wú)鼓泡、起殼現(xiàn)象，即得到的鍍層與基體的結(jié)合力良好。
3·結(jié)論
（1）選用不同體系的鍍液分別進(jìn)行底層鎳與Ni-P合金的鍍覆，以達(dá)到提高結(jié)合強(qiáng)度的目的。
（2）得到了鍍液成分、工藝參數(shù)對(duì)Ni-P合金鍍層硬度與耐磨性的影響規(guī)律，并指出在本實(shí)驗(yàn)條件下，硬度與耐磨性變化規(guī)律基本一致。得到各參數(shù)對(duì)鍍層中磷含量的影響規(guī)律，以及鍍層中磷含量與鍍后硬度的關(guān)系。
（3）選取最合適的配方得到了性能優(yōu)良的電鍍Ni-P合金鍍層，其硬度達(dá)到620 HV，磨損體積損失僅為630.5×10-3mm3。對(duì)其進(jìn)行400℃熱處理，熱處理后硬度可達(dá)1186 HV，耐磨性也有較大提高。
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