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《西南石油大学》 2019年
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Q235钢表面NiP/超细SiC化学复合镀层工艺及性能研究

蒲帅  
【摘要】:Q235是一种碳素结构钢,具有良好的韧性,属于中低强度钢,在石油、矿场机械等各种重要钢架结构领域应用广泛,如作为油气资源集输管线基材、磨具零件等。随着工件使用环境的日益复杂恶劣,对Q235钢等金属材料的性能要求逐渐提高,特别是在耐磨和防腐蚀性能方面。化学镀作为一种表面镀层技术,除了能改善材料的表面性能,还具有操作简单、成本低廉、不受镀件的种类和尺寸限制等优点,已经逐渐成为表面处理技术的一类重要分支。相比常规Ni-P二元化学镀层,通过在镀液中添加性能优良的第二相超细微粒,如SiC等制备出的复合镀层具有更加优异的综合性能。但由于超细微粒如纳米粒子的比表面积大,表面能较高,团聚十分严重,在镀液中很难实现均匀分散。低温等离子体技术是一种新型的表面处理方式,它通过激发气体放电产生大量活性粒子,如高能电子、正负离子和具有强氧化性的自由基,能够实现对基体表面的接枝,改性和净化等。为进一步系统优化化学镀复合镀层的制备工艺,改善第二相微粒在镀液中的均匀分散问题,本文选取亚微米级SiC为第二相,以显微硬度为评价指标,施镀时间为2h,通过正交实验优化了温度、pH值和SiC加量等3个参数,在对比分析不同工艺所得镀层的耐磨和防腐蚀性能基础上,研究了热处理温度对复合镀层的结构和性能影响;然后,采用低温等离子设备,调整工作功率和处理时间,对亚微米SiC微粒进行改性处理,提高其在化学镀液中的分散效果,探究使用改性SiC微粒所得化学复合镀层的微观结构和性能,并分析热处理过程对Ni-P/改性SiC复合镀层的显微硬度、耐磨性影响。得到以下几点结论:1)以显微硬度为评价指标,通过三因素三水平正交试验法,确定对化学镀层显微硬度影响大小依次为pH值温度SiC加量,对比分析Ni-P和其他参数所得复合镀层,在温度90℃,pH值为5,SiC添量为6g/L时所获复合镀层的显微硬度最高为558HV0.1,镀层表面较平整,厚度约18μm,与基体界面清晰且结合较好,耐磨和耐蚀性能最佳,体积磨损率和自腐蚀电流密度分别为1.734×10-4 mm3·N-1·m-1和1.092μA/cm2。在不同热处理温度(200~800℃)下保温1小时,复合镀层的表面硬度进一步提高,当处理温度为400℃时,镀层硬度值达最大为932.3HV0.1,X射线衍射(XRD)分析表明镀层产生晶化,出现了较多的Ni3P相。热处理后的镀层断面与基体界面模糊化,厚度均匀性变差。同热处理前相比,热处理后试样的平均摩擦系数降低45%,且耐磨性得到提高,但由于镀层表面平整性变差,产生部分裂纹,影响了镀层致密性,导致耐蚀性降低。2)采用低温等离子体技术对亚微米SiC粒子进行改性,通过沉降试验可知在120W,300s的处理条件下,粒子在溶液中的分散性最好,此时测得的平均粒径为0.234μm,Zeta电位值为-8.8mV。红外和X射线光电子能谱(XPS)分析表明改性后SiC微粒表面存在C=O和C-O基团。3)选取两组较优化的施镀工艺参数,通过添加改性亚微米SiC粒子制备化学复合镀层。对比分析镀层的形貌、元素分布和显微硬度,发现改性后的镀层表面形貌没有显著变化,EDS分析可知表面Si含量有所提高,可能是由于改性后SiC更容易附集在镀层表面使得含量增加。不过,镀层的厚度和显微硬度增加幅度不大。摩擦试验结果表明:改性后镀层的平均摩擦系数降低了约18%,磨痕表面有磨坑和少量犁削,可能是由于磨损过程SiC微粒脱落,拔出造成;EDS和XPS分析表明摩擦过程中产生了部分氧化,生成了 Ni的氧化物,而镀层表面的Cr元素含量很低,没有发生明显对磨副(GCr15钢球)的元素转移现象,磨损机理主要为磨粒磨损和摩擦氧化。腐蚀试验结果表明:添加改性SiC粒子的化学复合镀层耐蚀性要优于未改性的Ni-P/SiC复合镀层。在400℃保温1小时后,Ni-P/改性SiC复合镀层的显微硬度和耐磨性有了进一步提高,其中,显微硬度为945HV0.1,体积磨损率为0.60×10-4mm3.N-1.m-1。
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