高性能鎳硼合金鍍層的制備與分析

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1、摘要高性能鎳硼合金鍍層的制備與研究摘要—、、i長(zhǎng)期以來(lái)，提高材料的耐磨性一直是一個(gè)困擾材料研究者的難題，開發(fā)研制化學(xué)鍍鎳硼合金鍍層對(duì)于解決這一難題極具潛力，特別是基體材料尺寸精度要求高、避免工件變形的場(chǎng)合采用化學(xué)鍍更具優(yōu)勢(shì)?；瘜W(xué)鍍鎳硼合金以其高硬度和制備溫度低而倍受矚目，該法工藝簡(jiǎn)單、成本低廉，這對(duì)于節(jié)省大螢的資源和能源、提高材料使用與環(huán)境之間的協(xié)調(diào)性具有重要意義。、『本文針對(duì)化學(xué)鍍鎳硼合金的組織結(jié)構(gòu)、性能進(jìn)行了系統(tǒng)、全面地研究，特別側(cè)重探索高硬度鍍層獲得的途徑，并力圖弄清其產(chǎn)生的機(jī)理。通過(guò)深入、系統(tǒng)地研

2、究鎳硼合金鍍層的組織結(jié)構(gòu)和硬度變化的規(guī)律，發(fā)現(xiàn)了具有層錯(cuò)結(jié)構(gòu)的非晶一晶態(tài)雙結(jié)構(gòu)鍍層及其自然時(shí)效現(xiàn)象，揭示了晶化反應(yīng)及時(shí)效相變機(jī)制，為該合金涂層的進(jìn)一步開發(fā)和應(yīng)用提供了重要的理論依據(jù)。／從化學(xué)鍍沉積生長(zhǎng)方式的理論模型出發(fā)，探討了化學(xué)鍍鎳硼合金鍍層的生長(zhǎng)沉積方式，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證實(shí)了鍍層的縱、橫向生長(zhǎng)速度之比是決定沉積生長(zhǎng)方式的關(guān)鍵因素。當(dāng)縱向生長(zhǎng)速度高于橫向生長(zhǎng)速度時(shí)，鍍層以柱狀方式生長(zhǎng)；反之，以粒狀或疊層方式生長(zhǎng)。不同生長(zhǎng)方式下形成的鍍層組織結(jié)構(gòu)和形貌有差異。這對(duì)控制鍍覆工藝、調(diào)整鍍層結(jié)構(gòu)具有重要的指導(dǎo)作用。丫

3、通過(guò)改變鍍覆工藝條件得到影響鍍層制備的幾個(gè)關(guān)鍵因素。其中還原劑、絡(luò)合劑和鎳鹽的濃度以及溫度等是影響鍍速的主要因素。鍍層的硼含量主要取決于硼氫化鉀的加入量；此外，鍍速也對(duì)鍍層硼含量有一定影響。上海交通大學(xué)I學(xué)博±學(xué)位論文————————————————_———__——-—————————————’—————-———__H_H_————●—————‘-——————————’—_-—————————-————————_————————————————、l對(duì)鍍態(tài)為非晶．晶態(tài)雙結(jié)構(gòu)的鎳硼合金鍍層進(jìn)行了重點(diǎn)分析，TE

4、M測(cè)定結(jié)果證實(shí)組織中有層錯(cuò)存在，迄今為止在化學(xué)鍍鎳硼合金鍍層中這一結(jié)構(gòu)未見報(bào)道。形成該雙結(jié)構(gòu)取決于鍍層硼含量及鍍速。對(duì)該結(jié)構(gòu)鍍層晶化相變的研究結(jié)果表明：晶化反應(yīng)主要有三種類型，分別在300℃、400℃、425形成Ni3B、Ni2B、Ni483三種反應(yīng)產(chǎn)物。通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)某些熱處理態(tài)的鍍層存在自然時(shí)效現(xiàn)象，表現(xiàn)為硬度隨時(shí)效時(shí)間的延長(zhǎng)而降低。經(jīng)XRD分析證實(shí)其原因是鍍層中Ni。B3、Ni。B相的出現(xiàn)，它們?cè)谑覝叵虏环€(wěn)定、易分解，造成鎳硼合金鍍層的硬度發(fā)生改變。特別是經(jīng)400℃或500℃處理后，鍍層中出現(xiàn)Ni。B

5、。時(shí)，時(shí)效現(xiàn)象最為嚴(yán)重。熱處理過(guò)程中，影響鍍層硬度的主要因素及其表現(xiàn)是：應(yīng)力松弛、氫氣釋放和硼的脫溶降低鍍層硬度；晶化產(chǎn)物析出有助于提高硬度，且隨著其數(shù)量增加鍍層硬度提高幅度加大，特別是出現(xiàn)Ni2B、Ni。B3時(shí)，鍍層硬度更高；但這些析出物的過(guò)度長(zhǎng)大降低鍍層硬度。300℃及低于該溫度處理組織轉(zhuǎn)變緩慢，長(zhǎng)時(shí)間保溫能使其發(fā)生轉(zhuǎn)變，鍍層硬度提高；400℃及高于該溫度處理時(shí)，晶化相變反應(yīng)劇烈，硬度提高幅度大。通過(guò)AFM觀察到熱處理態(tài)的鍍層晶粒表面形成納米尺度的突起。分析表明：它們的尺寸與鍍層硬度之間滿足正H-P關(guān)

6、系，這為獲得更高硬度鍍層提供了理論依據(jù)。實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)：兩步熱處理法能夠較好地改變和控制鍍層晶粒表面的納米突起的尺寸，這與鎳硼合金晶化產(chǎn)物長(zhǎng)大的有序原子集團(tuán)切變沉積方式有關(guān)；通過(guò)該法獲得的鍍層硬度比其它熱處理工藝的高。進(jìn)一步通過(guò)激光表面處理實(shí)現(xiàn)對(duì)鎳硼合金鍍層的極端條件下熱處理，以獲得更高硬度鍍層。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)當(dāng)激光功率為500W、掃描速度60mm／s時(shí)，處理后的非晶一晶態(tài)雙結(jié)構(gòu)鍍層出現(xiàn)硬度高達(dá)HVl700～1900的局部鍍層組織。分析表明，產(chǎn)生該現(xiàn)象的原因在于：激光處理時(shí)，短暫的加熱僅使硼原子發(fā)生近程擴(kuò)散，這樣

7、晶化過(guò)程中形成的鎳硼化合物尺寸極為細(xì)小，從而獲得具有超高硬度、細(xì)化的鎳硼合金組織。II捅要摩擦磨損實(shí)驗(yàn)表明：鎳硼合金鍍層的摩擦磨損特性睫鍍層的組織結(jié)構(gòu)、硬度及磨損條件而變化。在干摩擦條件下，摩擦系數(shù)隨載荷的增加呈下降趨勢(shì)：磨損時(shí)的外加載荷存在一個(gè)臨界載荷值，載荷高于該值時(shí)，鍍層磨損加劇：熱處理后的鍍層磨損率隨滑動(dòng)速度提高麗降低，這與鍍層產(chǎn)生保護(hù)性的氧化膜有關(guān)；高硬度的鎳硼合金鍍層在低載、高滑動(dòng)速度條件下具有最好的耐磨性。與干摩擦條件時(shí)相比較，在油潤(rùn)滑的條件下，鎳硼合金鍍層的摩擦系數(shù)下降，耐磨性大幅提高，這

8、主要是由于磨損過(guò)程中鍍層受到油膜的保護(hù)而使其磨損程度大為減輕。鎳鉬硼合金鍍層在鍍態(tài)即具有非常好的耐磨性，故該合金鍍層特別適于基材要求尺寸精度高的場(chǎng)合。1關(guān)鍵詞：化學(xué)鍍鎳，鎳硼合金，硬陡，鍍層，熱處理，自然必警，激光表面處理，耐磨性i海交通大學(xué)I學(xué)博士學(xué)位論文——————————————————————————————————————H——————————————————一_———————————————————————————