铜基电镀Ni-P合金热处理性能的研究

来源:热处理网作者:网络整理

    杨杰,赵祖欣,张修庆,尚淑珍

    (华东理工大学机械与动力工程学院承压系统安全科学教育部重点实验室,上海200237)

摘要:研究了热处理温度对铜基电镀Ni-P合金镀层硬度和耐磨性的影响,并对各镀层的组织、表面形貌与磨痕进行了观察,对镀层的性能进行了测试。结果表明:随热处理温度升高,镀层中生长出沿电流线方向的柱状晶,400℃热处理时,柱状晶组织均匀致密;随热处理温度升高,硬度与耐磨性呈现先增大后减小的趋势,且变化规律基本一致。

关键词:结晶器;Ni-P合金;耐磨性;热处理;硬度

中图分类号:TQ153;TG113.2 文献标识码:A 文章编号:1001-3814(2011)14-0151-03

连铸结晶器是将钢水冷却成钢坯的核心部件,工作时长期处于机械应力和热应力的综合作用下,工作条件极为恶劣。在各大钢铁企业中,一个一直亟须解决的问题是如何得到高效、长寿命的连铸结晶器,而其表面镀层的性能优劣起着决定性的作用。

随着经济的不断发展,对连铸结晶器表面镀层的性能也提出了越来越高的要求。许多学者一直致力于此项研究,以求得到性能优良、寿命长的结晶器。结晶器工作温度一般在400℃以上,在使用时往往对结晶器进行高温热处理,本论文结合这个特点,对镀层进行不同温度的热处理,并对热处理后镀层的硬度、耐磨性进行测量,得到了热处理温度对硬度与耐磨性的影响规律。对各镀层的金相组织进行观察,从组织生长的角度对这种规律的产生进行了阐述。

1·实验部分

1.1 镀层制备

镀液配方:硫酸镍240g/L,氯化镍45g/L,亚磷酸15g/L,硼酸35g/L,调节pH=1.1~1.2,加入适量润湿剂,在电流密度为2A/dm2、温度为70℃的条件下施镀2h。将镀层进行1h热处理,随炉冷却至室温。电镀时采用纯镍板为阳极,采用经过镀前预处理的尺寸为30mm×8mm×10mm的纯铜块做阴极。

1.2 镀层性能测试

用HXD-1000TM型显微硬度计测定镀层的显微硬度,载荷980N,保压时间15s,取5次测试的平均值作为镀层的显微硬度。在MMS-2A型微机控制摩擦磨损试验机上对不同镀层进行无润滑条件的摩擦磨损试验,对偶件下试样选用准35mm的GCr15圆环,其硬度为58~62HRC。上试样为表面镀覆Ni-P合金镀层的铜块,其尺寸为30mm×8mm×10mm。干摩擦条件下载荷为200N,磨损时间10min,转动速度200r/min。磨损试验结束后,用JXD-B型读数显微镜测量磨痕宽度,根据公式计算出磨损体积损失,并用以表征磨损率。用Nikon80i高分辨率金相显微镜对镀层形貌与磨痕进行观察。

式中:R为磨痕截面扇形半径;L为磨痕长度;b为磨痕宽度。

将镀件镶嵌成金相样,将H2SO4∶HNO3∶H2O比为2∶1∶2配成的侵蚀液加热到75℃,将金相样放入其中侵蚀2min。用Nikon80i高分辨金相显微镜观察镀层的金相组织。

2·结果与讨论

图1为热处理温度对镀层硬度及耐磨性的影响。可看出,随热处理温度的升高,硬度和耐磨性均呈现先增大后减小的趋势,且在400℃热处理时硬度达到最大值960HV,耐磨性也达到最好状态,硬度与耐磨性变化规律基本一致,符合经典的Archard定律。

热处理温度对镀层硬度及耐磨性的影响

图2为Ni-P镀层及不同温度热处理后得到的镀层的表面形貌。可以看到Ni-P镀层组织均匀、致密,随热处理温度的升高,胞状物逐渐长大,且逐步析出弥散分布的Ni3P相。400℃热处理时,Ni3P相分布均匀、弥散程度良好,硬度与耐磨性均达到最好状态。随加热温度继续升高,Ni3P相不断析出并聚集长大,弥散程度下降,镍固溶体发生再结晶,促使硬度下降。且随热处理温度的升高,表面出现一层氧化皮,这层氧化皮硬且光滑,有利于硬度提高与摩擦系数的降低。

Ni-P镀层及不同温度热处理后得到的镀层的表面形貌