镍基合金耐磨镀覆层的研究现状及进展

·8· May2007 Electroplattng＆PollutionControl V01．27No．3 镍基合金耐磨镀覆层的研究现状及进展 RecentProgressandResearchStatusofWear--resistingNi--basedAlloyCoatings 罗勋。宣天鹏 (合肥工业大学材料科学与工程学院，安徽合肥230009) LUOXtm，XUANTian—pe雌 (InstituteofMaterialScienceandEngineering，HefeiUniversityofTechnology，Hefei230009，China) 摘要： 综述了电镀、化学镀、激光熔覆、真空熔结、喷焊等诸多手段制备的耐磨镍基合金涂层。重点介绍了Ni．P、Ni．W、Ni．Mo、 Ni．Cr等耐磨镍基合金涂层近两年的研究进展情况。同时介绍了各种镍基耐磨涂层的基本应用，并预测了其在研究与工业领 域中的发展前景。 关键词：镍基合金；涂层；耐磨；电镀；化学镀 Abstract：Preparationmethodsofwear-resistingNi-basedalloycoatings，involvingelectroplating，electrolessplating，lasercladding， vacuumfusionsinteringandsprayweldingarebrieflyreviewed．Currentstatusofwear-resistingNi—basedalloycoatingsincludingNi—P，Ni—W， Ni—Mo，Ni·Crisintroduced．Fundamentalapplicationsofvariouswear-resistingNi—basedcoatingsarealsopresentedandtheirdevelopment prospectinresearchandindustrialfieldsispreviewed． Keywords：Ni—basedalloy；coating；wear-resisting；electroplating；electrolessplating 中图分类号：TQ153 文献标识码：A 文章编号：1000．4742(2007)03．0008．03 0前言 近20年来，表面工程技术迅猛发展，各种功能 性镀覆层在汽车、家电、能源、交通工程、机械制造、 计算机、土建工程、水利工程、石油化工、航空航天等 领域得到了广泛的应用。其中镍合金镀覆层以其极 佳的物理和化学性能受到人们的重视。越来越多的 科学工作者开始进行镍基合金镀覆层的研究，并且 已经取得了重要的研究成果。镍基镀覆层具有较高 的硬度、表面强度，良好的耐磨性和耐蚀性，磁性与 光泽等，是应用最广泛的表面镀覆层之一u。一。 磨损普遍地存在于生产和生活之中，任何一种 磨损都会在物体的工作表面上产生一定量的磨损产 物。因此，利用镍基镀覆层作为表面抗磨层可以减 轻磨损造成的破坏，修复被损坏的零件，降低能量的 消耗，延长机器使用寿命等，对节约能源和原材料， 保护环境，促进国民经济的发展具有重大意义。电 镀、化学镀、喷涂、堆焊、熔结、气相沉积等技术能在 材料表面形成优异的镍基耐磨镀覆层。 1镍基涂层研究现状 1．1 Ni．P合金镀层 1．1．1 Ni．P合金镀层 化学镀Ni．P合金镀层的厚度和零件形状无关。 镀层硬度高、抗耐磨、天然润滑性以及耐蚀性好，主 要应用在电子、矿山机械、航空航天、化工、石油、汽 车、铸造、铸模和模具等工业领域。 电镀Ni．P合金镀层既具有良好的耐磨性能，又 具有良好的电磁屏蔽性能。宣天鹏、杨广舟等研究 表明旧J，非晶态Ni．P薄膜在10。350Hz内可以达到 45。70dB，它是优异的电磁屏蔽材料。Ni．P非晶态 合金镀层具有较高的强度和硬度，镀态下维氏硬度 为600MPa；经4000C、1h热处理后可达到1000 MPa。镀层具有十分良好的耐磨性，可用于机械、纺 织等行业拉伸模、凸轴、钢领等零件的表面强化。 1．1．2 Ni．Mo．P合金镀层 将高熔点金属元素Mo与Ni．P实现共沉积，获 得Ni．Mo．P合金镀层是提高镀层热稳定性和耐磨、 耐蚀性能的有效方法之一。 路学丽等用电镀方法获得Ni．Mo．P非晶态合 金。实验表明。41，由于Mo的加入，镀层的组织结构 得到改善，致密性增加，Ni．Mo．P非晶态合金镀层外 观呈银白色，平整光滑。在质量分数为5％的NaCl 和0．5mol／LH：SO。溶液中的耐蚀性，较不锈钢和 Ni—P非晶态镀层更为优异。 研究表明¨o，化学镀Ni．Mo．P合金镀层较化学 镀Ni．P合金镀层具有更好的耐磨、耐蚀性及更高的 热稳定性，因而在工业领域中的潜在实用价值更高。 如果在Ni．Mo．P合金中加入A1：O，微粒制成复合涂 层，维氏硬度可以达到1000MPa以上；如果加人 万方数据 2007年5月 电镀与环保 第27卷第3期(总第155期)·9· PPS(聚苯硫醚)，虽然硬度降低，但是其镀层的腐蚀 速率会大大降低。 1．1．3Ni—P系复合镀层 宿辉制备了化学复合镀Ni．P-PTFE．SiC镀层。 在经过回火后，镀层由非晶态Ni．P转化为晶态，维 氏硬度可达701MPa，虽然低于Ni—P-SiC的1266 MPa，但是降低了表面能和摩擦系数M1。 宋影伟在AZ91D镁合金上获得了Ni．P纳米 ZrO：化学复合镀层。从磨损实验结果可知[7]，传统 的Ni．P镀层的磨损质量损失率几乎为Ni—P．z向：镀 层的3倍，说明ZrO，纳米粉的加入能改善镀层的耐 磨性。程秀利用化学镀方法制备了Ni．P．SiC纳米复 合镀层。由于镀层中纳米SiC的存在，使复合镀层 的硬度得到显著提高，镀态下维氏硬度可达1000— 1 100MPa，退火处理后则可达到1650MPa。与微米 SiC复合镀层相比，纳米复合镀层的耐磨性明显改 善‘引。 1．2 Ni．W(Mo)合金镀层 1．2．1Ni—W镀层 Ni．w合金镀层具有很高的机械性能、耐蚀性能 和耐磨性。主要用于轴承、活塞、汽缸及曲轴等机械 零件的表面强化，以及模具等要求抗高温磨损的场 合。一般使用酸性或碱性的槽液均可以获得镀层。 Ni—w镀层不仅在性能上可与硬铬镀层相媲美，而且 对环境污染小，可作为一种代铬镀层使用。 电镀Ni．w合金镀层一般是非晶态，维氏硬度 可达到680MPa，具有优异的耐蚀性能；当在600℃ 热处理时，镀层转变成非晶态，维氏硬度升高到 1 200MPa，但耐蚀性能下降。 1．2．2Ni。W多元合金镀层 当磷含量较高时化学镀Ni．W．P合金镀层仍可 以保持非晶态，镀层维氏硬度在700—800MPa之 间。非晶态的Ni．W．P镀层具有良好的抗高温氧化 性能和抗蚀性旧o。Ni．W．P非晶态镀层在300℃以下 热处理时保持非晶态结构；在350℃时变为晶态结 构，维氏硬度达到1300—1400MPa。 随着镀层中钨含量的增加，镀层的显微硬度由 600MPa增加到780MPa；在400℃下热处理1h，硬 度提高到900MPa以上H0|。该镀层具有高的光反射 能力，外观类似经过抛光的银，抗磨损能力优于铬镀 层，而耐蚀能力仍保持不变¨0。。 1．2．3Ni．Mo合金镀层 化学镀Ni．Mo合金镀层一般为非晶态，维氏硬 度为800MPa；对其进行热处理，硬度先升高后降 低，当温度升高到600℃，镀层转化为晶态，维氏硬 度达到最大，为1100MPa。Ni．Mo合金镀层用作耐磨 性涂层，可以大大延长冲压模和塑料模的使用寿命。 1．3 Ni．Cr系合金镀覆层 1．3．1 Ni．Cr镀覆层 Ni—Cr合金的维氏硬度在239～830MPa之间， 其耐磨性、耐蚀性和耐热性远优于铁基的，甚至接近 钴基合金的，应用越来越广泛。在工业领域中，Ni． Cr系合金主要使用在大型机械方面，如矿山机械、 海洋油田钻头、核能工程的阀门、泵的缸套、密封件 等方面。在医学领域，Ni．cr系合金材料可代替金等 硬度不高的材料作为牙科材料。 近年来，又对Ni．Cr系合金材料进行了深入的 研究。马运哲等对Nr-Cr系镍基加入CeO，的激光 熔覆，研究结果表明，稀土CeO：使得Ni35合金激光 熔覆层组织明显细化，柱状晶消失、二次枝晶间距显 著减小，组织趋向均匀；同时减少了熔覆层中的夹杂 物含量，一定程度上净化了熔覆层组织，也可以提高 Ni35合金激光熔覆层的硬度，而Ni能使激光熔覆 达到定向凝固的效果。12I。石世宏进行了多冲载荷 对激光熔覆的Ni．cr系合金覆盖层研究，Ni．Cr系合 金具有优异的抗循环冲击的性能。13I。cr的量加大， 还可以显著提高其涂层的高温抗氧化性能。众多的 其他试验也表明，co、Ti等元素加入到Ni．Cr系合金 镀覆层后，具有优化组织，改善激光熔覆大能量带来 的不利影响，如在涂层中含有co，可以细化晶粒；含 有Ti可以进一步提高耐冲击、耐磨方面的性能。因 此，制备此类合金涂层时，一般在含有Ni、Cr的钢材 表面，用Ni35等自熔合金粉末进行激光熔覆。 1．3．2多元Ni．Cr系合金 Ni．cr-B．Si合金中B和si的掺入可以降低合金 的熔点，这样涂层的熔点低于1040℃，合金有良好 的流动性和润湿铺展性能，可进行粉末等离子堆焊 和氧．乙炔喷涂。涂层组织由奥氏体、硼化物、碳化 物和硅化物组成，常温下维氏硬度可达748MPa；540 ℃时保持在484MPa左右。堆焊层有优良的耐低应 力磨料磨损、耐冲蚀磨损、耐高温、耐腐蚀和抗氧化 性能。Ni．Cr．Mo。W型堆焊层组织由奥氏体和金属 间化合物组成，涂层的硬度较低，加工性能较好，耐 冲击和耐热性也较好，可用作高温耐磨零件的表面 强化涂层。 多元Ni．cr合金具有较高的耐酸腐蚀性和很高 抗氧化性能。Ni．Cr-Fe合金具有一定的耐磨性，多 用于轴类、轴承、传动辊等零件磨损表面的修复。有 万方数据 ·10· May2007 Electroplating&PollutionControl V01．27No．3 的多元Ni—Cr合金涂层耐高温氧化性能也很优异， 可作为耐高温磨损涂层的过渡层。Ni．Cr-Ti合金耐 蚀和耐冲蚀性能良好，是锅炉管道抗气蚀磨损的理 想的涂层材料。Ni．cr-B．si涂层具有较高的硬度、耐 磨性和抗氧化性，可作为阀门、模具、齿板等表面强 化涂层。 1．3．3Ni．Cr系复合涂层 MoS：是一种具有层状结构的晶体，层与层之间 的剪切力特别小，而且是一种良好的固体润滑剂。 如果在Ni．cr基合金中加入适量的MoS：，得到的复 合镍基合金涂层既有一定的强度和硬度，又有自润 滑性能。它能够防止干摩擦造成的咬死等情况，从 而提高材料的耐磨性能¨4‘。 使用激光熔覆等方法在Ni．cr基合金中加入 A120，纳米微粒制成复合涂层，复合涂层的平均维氏 硬度为700MPa，耐磨损性能比淬火态基体提高了1 125倍‘15|。 如果在45’钢上先用等离子喷涂Ni．Cr-Al合金 打底，再用等离子喷涂A1：O，一13TiO：粉末，然后以 2．5kW快速轴流CO：激光器熔敷纳米A1：O，，形成 Ni．cr-A1／AJ20，．13Ti02／纳米A1203复合涂层。在激 光作用下形成的a．A120，、TiO：和纳米A1：O，组成的 涂层具有较高的致密性、较低的孔隙率和脆性，涂层 的维氏硬度可高达1600MPa，涂层的耐磨性优于等 离子喷涂A1：O，一13TiO：涂层。 王丽琴在纯铜板上制备纳米SiC．镍基复合电镀 层，其硬度均随着镀层中微粒含量的增加而增大。 微粒的质量分数为40．1％的Ni．SiC镀层的维氏硬 度达1035MPa，其耐磨性能优于Ni．A1：O。复合镀层 及纯cr镀层¨6|。 Ni．Cr．WC复合涂层具有较高的耐磨粒磨损性 能，一般使用在恶劣的工况条件下的矿山、水利、电 力等领域中。Ni．Cr-WC复合涂层的基体一般使用 低碳钢合金材料。涂层制备方法多样，通过堆焊、激 光熔覆、喷焊等都可以得到。国内外在这方面一直 都有研究。王宏宇研究喷焊制造Ni．WC复合涂层， 结果表明¨引，以F102、F105等粉末原料，在使用喷 焊方法后，喷焊层表面硬度能达到基体的3倍以上， 而生成的焊层表面的磨损量也只有基体的十分之 一。适量加入质量分数为4％～6％的稀土氧化物 后，耐磨性可以有望进一步提升。同时喷焊因其工 程适用性很好，适合在工程上使用。董丽虹使用等 离子弧堆焊的方法制备Ni．WC复合涂层。研究结 果表明u引，使用LP．1型粉末进行等离子堆焊，可以 得到理想的焊接层表面。 多种涂层制备方法的结合是一个比较新的研究 领域。宫文彪使用乙烯喷焊加激光重熔两者相结合 的方法，得到的涂层具有工作温度高，组织稳定，耐 磨、抗高温腐蚀性能好等优点，并且具有优异的抗热 疲劳性能，是一种理想的航空航天材料¨9。。于美杰 采用氧乙炔火焰喷焊技术制备WC增强Ni60复合 涂层。与等离子喷涂Ni—Cr／Cr3C2涂层进行比较， WC微粒增强Ni60复合喷焊层中，7．Ni固溶体的固 溶强化作用和大量细小碳化物硬质相的的弥散强化 作用大大增强了涂层基体的硬度，WE微粒与涂层 基体形成了冶金结合，该涂层的耐磨粒磨损的性能 远高于等离子喷涂Ni．Cr／Cr3C，涂层㈣o。 2 展望 就目前的趋势来说，耐磨镍基涂层的发展有3 大趋势： (1)镍基纳米复合涂层工艺成熟化。随着纳米 技术的不断进步，纳米管、纳米线、纳米墙的批量生 产，含有纳米材料的镍基复合涂层性能将会有一个 质的飞跃。 (2)多元镍基涂层复杂化。随着科学研究的不 断深入，四元、五元合金复合镀层的研究工作也将陆 续展开。在克服了工作量成指数的加大后，我们将 会建立起镍基多元合金的专家系统，这样我们就能 在以后的研究中，根据材料性能所需要求，选取研究 的材料。 (3)工业可控化。工业可控化一直以来都是工 程研究领域永恒主题。只有实现了可控化，才能更 好地实现工业化，使研究成果转化为生产力。科研 工作者在这方面一直研究较少，也是薄弱环节，因 此，发展潜力非常巨大。 参考文献： [1]孙希泰．材料表面强化技术[M]．北京：化学工业出版社， 2005． [2]胡传忻，宋幼惠．镀覆层技术原理及应用[M]．北京：化学工业 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[18] [19] [20] 影响[J]．机械工程材料，2005，29(11)：28．30． 梁补女，张振宇，王智平，等．粉末冶金泥浆泵缸套材料的研究 [J]．金属热处理，2006，29(10)；19—21． 姚建华，张伟．激光熔覆镍包纳米氧化铝[J]．中国激光， 2006，33(5)：703．708． 王丽琴，吴化，铁军，等．Ni．SiC纳米复合镀工艺及性能研 究[J]．腐蚀科学与防护技术，2005。17(4)：230．234， 王宏宇，许晓静，陈康敏，等．中温回火对钛基体上镍基喷焊涂 层组织和性能的影响[J]．焊接学报，2006，27(2)：51．56． 董丽虹，徐滨士，朱胜，等．等离子弧堆焊镍基复合粉末涂层 材料[J]．焊接学报，2005，26(1)：37．43． 宫文彪，赵贺，孙大干．氧化铝增强镍基合金涂层的组织与 耐冲蚀磨损性能研究[J]．材料热处理学报，2006，27(1)：83． 87． 于美杰，王成国，孙宏飞，等．WC增强镍基复合喷焊层的组织 与磨损性能研究[J]．材料热处理学报，2006，27(3)：116-121． 收稿13期：2006．12．18 电沉积纳米晶镍制备金刚石工具 PreparingofDiamondTools、订UlElectrodepositedNanocrystallineNickelMatrix 李云东， 梁晓辉，李立波， 黄志伟。卢汇洋 (河南农业大学机电工程学院，河南郑州450002) LIYtm—dong，LIANGXiao．hui，LILi．bo，HUANGZhi，wei，LUHlli．yang (MechanicalandElectricalEngineeringCollege，HenanAgriculturalUniversity，Zhengzhou450002，China) 摘要： 介绍了纳米晶镍作为新型胎体材料制备电镀金刚石工具的方法及其特点。纳米晶镍是在瓦特型槽液中通过调整方 波电流而得到的，脉冲参数为：电流导通时间3ms，关断时间45m8，峰值电流密度100A·dm～。其显微硬度达到595MPa，没 有气孔之类缺陷，表面较平整，晶粒尺寸在50nm左右。工具平均寿命要比常用的Ni．co胎体材料工具高15．8％。新工艺还有 其它诸多优点，如生产周期短、所用试剂的成本低、电解液成分简单等。电镀纳米晶体材料作为金刚石工具的胎体材料是较 为理想的。 关键词： 纳米晶镍；电沉积；金刚石工具；胎体材料 Abstract：Themethodforpreparingdiamondtoolswithelectrodepositednanocrystallinenickelasanewmatrixmaterialanditsfeaturesare presented．NanoerystallinenickelisobtainedinWattbathbyadjustingsquare—wavecurrent，inwhichthepulseparametersare：currenton． timeis3ms，off-time45msandpeakcurrentdensity100A·dm～．nenanoerystallinenickelthuspreparedhasamierohardnessofupto595 MPa，nosuchdefectsasairhole，etc．，brightandneatinsurface．withacrystalsizeofabout50am．111etoolsexhibit15．8％longerservice lifethantheirusualNi—Cocounterparts．11lenewpreparationmethodalsohasmanyadvantages，suchasshortproductioncycle，lowcostof reagents，easycontrolofelectrolytecomponents，etc．Therefore，electrodepositednanoerystallinematerialisanidealmatrixfordiamondtools． Keywords：nanocrystallinenickel；eleetrodeposition；diamondtools；matrixmaterials 中圈分类号：TQ153 文献标识码：A 文章编号：1000．4742(2007)03．0011-02 O前言 金刚石工具的使用寿命很大程度上取决于胎体 基金项目：河南省自然科学基金0411051300 材料的机械性能。胎体材料不但要有较高的硬度和 耐磨性，还要有较高的韧性以适应操作中较大程度 的机械撞击。一般而言，高硬度材料的脆性是明显 万方数据 镍基合金耐磨镀覆层的研究现状及进展 作者： 罗勋， 宣天鹏， LUO Xun， XUAN Tian-peng 作者单位： 合肥工业大学,材料科学与工程学院,安徽,合肥,230009 刊名： 电镀与环保 英文刊名： ELECTROPLATING & POLLUTION CONTROL 年，卷(期)： 2007,27(3) 被引用次数： 2次 参考文献(20条) 1.路学丽;马洁;姚忠科 Ni-Mo-P非晶态合金电沉积工艺及镀层耐蚀性[期刊论文]-材料开发与应用 2006(06) 2.杨广舟;宣天鹏;冯书争 Ni-P-La合金镀层电磁屏蔽效能的研究[期刊论文]-金属功能材料 2006(02) 3.胡传炘;宋幼惠 镀覆层技术原理及应用 2005 4.于美杰;王成国;孙宏飞 WC增强镍基复合喷焊层的组织与磨损性能研究[期刊论文]-材料热处理学报 2006(03) 5.宫文彪;赵贺;孙大千 氧化铝增强镍基合金涂层的组织与耐冲蚀磨损性能研究[期刊论文]-材料热处理学报 2006(01) 6.Li Aichang;Zhang Guoqing Study of the Corrosion Resistance of Electrodeposited Ni-W-P Alloy Films on Silicon 1999(01) 7.程秀;揭晓华;蔡莲淑 Ni-P-SiC(纳米)化学复合镀层的组织与性能[期刊论文]-材料工程 2006(01) 8.宋影伟;单大勇;陈荣石 AZ 91D镁合金化学复合镀Ni-P-ZrO的工艺与性能[期刊论文]-中国有色金属学报 2006(04) 9.宿辉 Ni-P-PTFE-SiC化学复合镀的研究[期刊论文]-玻璃钢/复合材料 2005(04) 10.李纠;姜秉元 化学镀镍基复合膜耐蚀性能研究[期刊论文]-腐蚀与防护 2005(08) 11.孙希泰 材料表面强化技术 2005 12.董丽虹;徐滨士;朱胜 等离子弧堆焊镍基复合粉末涂层材料[期刊论文]-焊接学报 2005(01) 13.王宏宇;许晓静;陈康敏 中温回火对钛基体上镍基喷焊涂层组织和性能的影响[期刊论文]-焊接学报 2006(02) 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