非晶态镍磷合金的组织结构与性能_吴玉程.pdf

非晶态镍磷合金的组织结构与性能①吴玉程 邓宗钢( 合肥工业大学材料科学与工程系, 合肥 230009)摘 要 研究了化学沉积非晶态镍磷合金的组织结构与性能结果表明, 随着沉积层中磷含量的增加, 合金的非晶化趋势提高, 非晶态镍磷合金层的硬度和耐磨性能下降 , 且明显低于晶态镍磷合金; 经过大于 613K 的时效处理, 非晶态镍磷合金晶化且有 Ni3P 生成, 沉积层的硬度和耐磨性得以提高并超过晶态合金; 非晶态镍磷合金经过时效处理晶化后且组织结构发生变化, 耐腐蚀性能下降, 硬化性能则提高关键词 非晶态 镍磷合金 组织结构 硬化性能 中图法分类号 TG113. 12 TG113. 25化学沉积态的镍磷合金, 其组织结构不是固定的 , 随着沉积层中的磷含量改变 , 镍磷合金的组织结构从晶态固溶体逐渐向非晶态过 渡[ 1]显然 , 镍磷合金组织状态的改变会引起性能的变化[ 2 , 3 ]根据应用的对象和性能要求, 必须选择恰当的处理条件与组织状态 , 镍磷合金才能产生相应的性能 镍磷合金突出的性能便是抗腐蚀和耐磨性能[ 4]非晶态镍磷合金产生具有比晶态合金更优异的抗腐蚀性能 , 且应用效果很好 , 这已有大量的研究报导[ 5 , 6 ]。

但是非晶态镍磷合金的 耐磨未必达到抗蚀的水平 , 何况许多场合既要求耐磨又要抗蚀, 非晶态镍磷合金的两种性能不能获得最佳配合 由此, 作者针对目前有关 非晶态镍磷合金耐磨性能的研究与应用的提法, 认为非晶态镍磷合金的硬化与耐磨能力有限, 可是其性能的潜力很大 , 故进行本文的工作1 实验方法1. 1 镍磷非晶态合金的制备非晶态镍磷合金沉积的基体材料为 45 钢( 淬火 +回火处理 , HRC 47) , 尺寸 7 mm ×7mm × 30 mm ; 铜片 20 mm ×30mm 试样经过 预处理后 , 进行化学沉积处理沉积采用典型的酸性溶液, 其组成为 NiSO4·6H2O 20 ～ 30g/L , NaH2PO2· H2O 10 ～ 20g/L , Na3C6H5O7·H2O 15～ 30g/ L , Pb2 +0. 01g/L , 操作条件为pH 4. 2～ 5. 0 , 温度 80～ 90 ℃非晶态镍磷合金的磷含量分别为8 . 5%, 10 . 0%, 11. 7%, 沉积层厚度为 30～ 40μ m 对镍磷合金进行时效处理, 处理温度 448 ～ 873K , 时间在 1h 内变化 。

1. 2 组织与性能测试分析 采用 D-max/rB X-ray 衍射仪和 H-800 透射电镜决定镍磷合金沉积层的组织结构, 在DSC-2C 型示差热扫描仪上研究镍磷合金的组织结构变化, 扫描速度 10 ℃ /min用 Olympus光学显微镜, S-570 扫描电镜观察沉积层的显 微组织和磨损表面形貌 用浸泡法 测定 腐蚀 失重,溶液为 5%NaCl , 10% HCl , 室温 ; 分别以三块试样浸泡三个周期( 每周期 20d) 测定失重量 , 取其平均第 8 卷第 3 期 Vol. 8 No. 3中国有色金属学报 The Chinese Journal of Nonferrous Metals1998 年 9 月Sep. 1998①国家机械工业发展基金资助项目 91J50503 收稿日期: 1997-08-26; 修回日期: 1998-03-23吴玉程, 男, 36 岁, 副教授值硬化性能则以显微硬度和耐磨性能来反 映采用 71 型显微硬度计, 载荷 1N, 保载时间 30s; 在 MM-200 磨损试验机上按常规进行滑动磨损试验用 DM-5 读数显微镜测量磨痕宽度, 然后根据下列公式计算出磨损体积 , 以 作出 ΔV -t 磨损曲线 。

ΔV = [ R2·arcsinb/2R -b/2R2- ( b/2)2]·L( 1)式中 V —磨损体积 , mm3; R —下试样半径 ,mm ; L —磨痕长度, mm ; b —磨痕宽度, mm 2 实验结果与分析2. 1 镍磷非晶态合金的形成与热稳定性化学沉积镍磷合金是一种可以控制的 , 自催化的化学还原过程 沉积层的成分受控于磷 含量的变化 , 改变溶液的组分和操作条件 , 就能得到不同磷含量的 Ni-P 合金 , 且组织结构发生变化 , 如图 1 所示 图 1 Ni -P 合金的 X 射线衍射图像Fig. 1 X-ray diffraction patternsof Ni-P alloys 1—7. 0%P;2—8. 5%P; 3—10. 0%P ; 4—11. 7%P磷原子的加入, 干扰了镍的沉积结晶 , 使结晶逐渐变得不完善 , 随着磷含量的提高 , 镍 磷合金向非晶态过渡 图 1 是 Ni-P 合金的 X射线衍射图像, 由图可以看出 , 随着沉积层中磷含量的增加, X 射线衍射线条愈加漫散宽 化 , 在 2 θ=45° 处呈最大衍射强度, 并向两侧漫散开来, 呈“馒头”状 , 表现出典型的非晶态特征 , 尤其是 Ni-P 合金的磷含量超过 7. 0%时 , 其非晶态特点更加明显。

从图 2, 3 的 DSC 扫描曲线和 X 射线衍射图像可知 , 在小于 573K 温度加热, 非晶态镍磷合金仍保持其状态, 但 DSC 曲线有所变化 , 衍射强度在 2θ=45° 处增大, 说明在较低温度下加热 , 给非晶态镍磷合金体系提供了一定的能量 , 系统中原子发生迁移, 逐渐发生结构弛豫[ 7], 使原子组态进一步改变 , 体系向稳定态 发展图 2 Ni-P 非晶态合金的 DSC 曲线Fig. 2 DSC curves of amorphous Ni-P alloys1—7. 0%P; 2—8. 5%P ;3—10. 0%P;4—11. 7%P达到一定温度时, 非晶态镍磷合金经低温结 构 弛 豫 ,逐 渐 向 晶 态 转 化 8. 5%P , 10 . 0%P和 11. 7% P 合金分别处于亚共晶和过共晶( 共晶点 11. 0%P) 成分 , 具有不同的晶化 过程 加热到 613 K, 亚共晶合金首先析出镍 晶体 , 然后有 Ni3P 析出 , 在 DSC 曲线上出现两个放热峰 , 与 XRD 图像对应, 温度再升高 ,完全转变成晶态; 过共晶非晶态合金在 613K 晶化析出 Ni3P , 随着温度升高 , Ni3P 数量增 多 , 非晶部分又转变成Ni3P 和Ni , 然后完全·416·中国有色金属学报 1998 年9 月图 3 Ni -P 非晶态合金的 XRD 图像Fig. 3 X-ray diffraction patterns ofamorphous Ni-P alloys1—10. 0%P, 613K;2—10. 0%P, 673K;3—11. 7%P , 613K ; 4—11. 7%P , 673K晶化 。

2. 2 非晶态镍磷合金的硬化特性 从表 1 可以看出 , 非晶态镍磷合金的硬度低于晶态合金沉积层 , 随着磷含量的提高而降低通常非晶态合金具有高强度和高硬度 , 非晶态镍磷合金表现出低的硬度, 这与非晶态 Ni-P 合金的组织状态和沉积特点有关晶态镍磷合金系镍的过饱和固溶体, 磷的固溶造成镍晶格畸变和细化晶粒[ 8], 故合金层具有较高的硬度; 非晶态镍磷合金沉积过程中, 磷的大量 增多, 镍的晶格特征逐渐丧失 , 磷原子和镍原子的关系不在是固溶的情况, 而是混合中有所偏聚 , 类似液 -固两相混合的组织状态自然强度不够镍磷非晶态合金经过时效处理 , 其组织状表 1 非晶态 Ni -P 合金的硬度( Hv0. 1)Table 1 Hardness of amorphousNi-P alloys ( HV0. 1)Alloy state7. 0%P8. 5%P10. 0%P11. 7%PAs-plated560495480470473K , 1h630550520500613K , 1h710745820870673K , 1h9609901 0301 020873K , 1h470540615640态发生变化, 合金的硬度也随之改变。

对于7. 0% P晶态固溶体合金, 时效处理温度提高 ,沉积层内磷原子在一定的晶面上偏聚, 引起更 大的晶格畸变, 以及磷的偏聚区与镍晶格构成的共格关系产生的应力场, 都使沉积层硬度上升 所以 473 , 613K 温度加热, 硬度呈上升趋势 , 温度升高到 673 K, 沉积层内沉淀析出弥散细小的第二相 Ni3P , 硬度达到最大值 , 超过673K 加热 , 第二相聚集粗化, 硬度便下降, 其 整个硬化过程符合沉淀强化机制 ; 非晶态 Ni-P合金随着加热温度的提高, 逐渐发生晶化和系统内原子组态的调整 , 故经过 473 K 时效处理 , 合金硬度开始上升, 加热到 613 K 晶化物出现 , 增加了整个组织的塑性变形抗力, 硬度 迅速升高 , 到 673 K 时合金已晶化完毕, 组织中已有很多的Ni3P 存在, 硬度达到最高值, 然后晶粒长大, 组织粗化 , 硬度开始下降, 非晶态 Ni-P 合金的硬化过程在于 Ni3P 的分散强化作用从加热到 673K 以后的硬度值可看出, 随着沉积层中磷含量的增加, 合金的硬度值越 高 , 而且硬度值下降的趋势愈加缓慢 结合每一成份 Ni-P 合金的 673 K 硬度值和磷含量与Ni3P 的体积分数关系[ 9]来看, 磷含量对最高硬度值的影响并不大 , 也可以说 673K 时所产生的强化效果差不多, 但是磷含量增加, 硬质相的体积分数加大 , 对于保持较高温度处理后的硬化性能具有关键作用。

2. 3 非晶态镍磷合金的耐磨性能 由图4, 5 可以发现, 沉积态非晶态镍磷合金的耐磨性和硬度具有同样的变化趋势 , 磷含量越高, 非晶态镍磷合金的磨损体积越大, 磨损体积高于晶态合金这由于非晶态的结构组态决定了原子结合力比较弱, 在磨损过程中 , 原子容易发生滑动 , 整个组织抵抗塑性变形的能力差, 使得磨损体积加大; 而晶态镍磷合金具有很高的晶格畸变程度, 造成的应力场增加了合金的塑变抗力, 不容易发生磨损经过时效处理后, 非晶态镍磷合金将逐步·417·第 8 卷第3 期 吴玉程等: 非晶态镍磷合金的组织结构与性能发生晶化 , 组织状态产生根本性的转变, 合金图 4 镍磷合金的磨损特性曲线Fig. 4 Wear curves of Ni-P alloys1—7. 0%P ; 2—8. 5%P;3—10. 0%P;4—11. 7%P图 5 时效对镍磷合金耐磨性的影响Fig. 5 Effects of aging on wearresistance of Ni-P alloys1—7. 0%P ; 2—8. 5%P;3—10. 0%P;4—11. 7%P的耐磨性也随之变化 。

非晶态镍磷合金在发生晶化后 , 其磨损体积开始低于晶态合金 , 随着时效处理温度上升 , 磷含量高的合金 , 耐磨性高于低磷含量的合金 ; 温度超过 673K , 低磷晶态合金的硬度降低, 磨损体积又呈上升趋势, 但是高磷( 原非晶态) 合金的硬度也下降 ,可是磨损体积却一直降低 , 这与高磷含量合金的Ni3P 体积分数比例高 , 硬度下降趋势缓慢有关 , 由此说明 , 硬度不是控制镍磷合金磨损 性能的唯一因素, 合金的组织对于控制磨损起了关键作用 2. 4 非晶态镍磷合金的耐腐蚀性能表 2 是非晶态镍磷合金的腐蚀失重数据 由此说明, 非晶态镍磷合金较同类晶态合金具有更少的失重 , 且磷含量越高 , 失重数值越 小 , 耐腐蚀性能更好 , 但相差不太大; 经过在673K ×1 h 时效处理后, 非晶态镍磷合金晶化 , 腐蚀性能下降 , 磷含量较高的合金, 耐蚀性能相对高些, 显示出磷含量对腐蚀性能影响的差异 尽管时效处理也对晶态合金。