喻 嵐，汪鎮(zhèn)濤，熊梧堯，潘 鶴，黃 鑫，王帥星*，唐 華，杜 楠

（1. 中國(guó)航發(fā)貴州紅林航空動(dòng)力控制科技有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550009； 2. 南昌航空大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，江西 南昌 330063； 3. 空軍裝備部駐成都地區(qū)軍事代表局駐貴陽(yáng)地區(qū)第二軍事代表室，貴州 貴陽(yáng) 550009）

9Cr18 不銹鋼廣泛用于制作航空發(fā)動(dòng)機(jī)齒輪、活門(mén)等關(guān)鍵部件，在長(zhǎng)期的高速旋轉(zhuǎn)及高溫使用工況下，其表面極易發(fā)生磨損失效［1-2］；因此，為了提高這些關(guān)鍵零組件的使用壽命和可靠性，往往需要涂覆高溫耐磨涂層。電鍍、化學(xué)鍍、激光熔覆、熱噴涂等是制備耐磨涂層的常用手段［3-8］。其中，硬鉻鍍層硬度高達(dá)700～800 HV，廣泛用于齒輪、軸類(lèi)零件等的耐磨處理［7，9］；化學(xué)鍍Ni-P 合金鍍層經(jīng)過(guò)熱處理后，硬度也可達(dá)到800 HV以上，在不銹鋼、鈦合金的耐磨處理上也有廣泛應(yīng)用［4］。

除此之外，復(fù)合電鍍作為電鍍技術(shù)的延伸，在制備耐磨鍍層上更具競(jìng)爭(zhēng)力。Ni-金剛石、Ni-Si3N4復(fù)合鍍層已在軍民領(lǐng)域有所應(yīng)用［5，10-12］。此外，鑒于立方氮化硼（cBN）顆粒具有高的硬度和良好的熱穩(wěn)定性，有學(xué)者制備了Ni-cBN耐磨涂層，提升了GH4169合金的高溫耐磨性［13-14］；也有學(xué)者利用六方氮化硼（hBN）的良好潤(rùn)滑性制備了Ni-hBN 減摩涂層，研究證實(shí)Ni-hBN 涂層的摩擦系數(shù)最低可為0.08［15-16］?？紤]到cBN 顆粒的高硬度和hBN 的潤(rùn)滑性，前期研究也證實(shí)Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層可以實(shí)現(xiàn)耐磨與減摩性的協(xié)同改善，在不銹鋼、鈦合金等零件的耐磨處理上具有較大優(yōu)勢(shì)。因此，本文針對(duì)9Cr18 不銹鋼，選用硬鉻鍍層、化學(xué)鍍鎳層、Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層等三種鍍層進(jìn)行表面處理，對(duì)比其在結(jié)合力、常溫耐磨性、高溫耐磨性方面的性能差異；研究結(jié)果可為航空發(fā)動(dòng)機(jī)中關(guān)鍵部件的耐磨鍍層選型及表面強(qiáng)化提供一定的數(shù)據(jù)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 基材及電鍍工藝流程

采用9Cr18 不銹鋼作為基體，其尺寸為Ф20×5 mm，主要工藝流程為：除油→溫水洗→冷水洗→酸洗活化→去離子水洗→預(yù)鍍鎳→去離子水洗→電鍍（化學(xué)鍍）→去離子水洗→吹干。

化學(xué)除油液組成和工藝條件為：NaOH 40～60 g/L、Na2CO330～40 g/L、Na3PO435～60 g/L、Na2SiO3·9H2O 10～20 g/L，溫度60～70 ℃，時(shí)間5～8 min。

活化液組成及工藝條件為：HCl 20～35 g/L，室溫， 時(shí)間1～2 min。

預(yù)鍍鎳溶液組成及工藝條件為：NiCl2400 g/L、HCl 120 g/L，電流密度4 A/dm2， 溫度60～70 ℃， 時(shí)間15 min。

電鍍硬鉻的配方及工藝參數(shù)為：CrO3250 g/L、H2SO42.5 g/L，電流密度40～50 A/dm2， 溫度57～60 ℃、時(shí)間30 min。

化學(xué)鍍鎳的配方及工藝參數(shù)為：Ni2SO4·6H2O 25～30 g/L、NaH2PO215 g/L、NH4Cl 50 g/L、檸檬酸鈉60 g/L，pH值8.5～9.5，溫度80～85 ℃，時(shí)間5 min。

Ni-cBN/hBN復(fù)合電沉積的配方及工藝參數(shù)為：Ni（SO3NH2）2·4H2O 150～200 g/L、H3BO335～40 g/L、NiCl25 g/L、十二烷基硫酸鈉0.1 g/L、cBN 顆粒60 g/L和hBN顆粒10 g/L，電流密度2～4 A/dm2， 溫度55～60 ℃、時(shí)間60 min。

1.2 鍍層結(jié)構(gòu)及結(jié)合力表征

采用Nova Nano SEM 450 場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡（FESEM）和 Bruker D8- Advance X 射線(xiàn)衍射儀（XRD）分析不同鍍層的微觀(guān)形貌及結(jié)構(gòu)。使用401MVD 數(shù)顯顯微維氏硬度計(jì)在常溫下測(cè)量測(cè)試不同鍍層的硬度，表面硬度測(cè)試加載載荷為350 g，考慮鍍層厚度不超過(guò)20 μm，截面硬度測(cè)試時(shí)加載載荷設(shè)為100 g。

采用WS-2005 型劃痕儀測(cè)試不同處理鍍層與9Cr18 不銹鋼基體之間的結(jié)合力。測(cè)試時(shí)，使用金剛石探針沿鍍層表面進(jìn)行刻劃，界面開(kāi)裂瞬時(shí)所對(duì)應(yīng)的載荷指定為臨界載荷（Lc）；其中，加載速率為20 N/min，載荷范圍為0～40 N，Lc由聲發(fā)射信號(hào)記錄。根據(jù)公式（1）可以計(jì)算出涂層與基體界面的結(jié)合強(qiáng)度（τ）［17］。

式中：R為劃針頭的半徑（200 μm）；A為劃針頭與涂層的接觸半徑，A=（Lc/πH）1/2；Lc為臨界載荷；H為基體的硬度；k為無(wú)量綱常數(shù)，常取0.15。

通過(guò)HT-1000型高溫球盤(pán)磨損機(jī)測(cè)試不同鍍層的摩擦學(xué)性能。摩擦副為Ф5 mm 的Si3N4球，溫度為室溫和200 ℃，轉(zhuǎn)速為200 rad/min，載荷為5 N，磨損軌跡半徑為5 mm，磨損時(shí)間為30 min。摩擦后，采用KH-7700 三維視頻顯微鏡觀(guān)察磨痕形貌，擬合磨痕剖面面積A（mm2），并按公式（2）計(jì)算比磨損率K（mm3/N·m）。

式中：r為磨痕軌道半徑（mm）；V為磨損體積（mm3）；P為載荷（N）；S為滑動(dòng)距離（m）。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同耐磨鍍層的微觀(guān)結(jié)構(gòu)

圖1 為9Cr18 不銹鋼表面不同鍍層的表面及截面SEM圖。由圖1（a）和1（b）可知，標(biāo)準(zhǔn)硬鉻鍍層表面存在細(xì)而長(zhǎng)的裂紋，且裂紋貫穿整個(gè)鍍層直到基體，局部表面還有少量的鉻瘤。由圖1（c）和1（d）可知，化學(xué)鍍Ni-P 鍍層表面呈胞狀結(jié)構(gòu)，但鍍層與基體之間結(jié)合不夠緊密，存在微小間隙。從圖1（e）和1（f）可以看出，通過(guò)復(fù)合電沉積，cBN和hBN顆粒在電場(chǎng)力和機(jī)械攪拌作用下與Ni 發(fā)生共沉積形成了Ni-BN 復(fù)合鍍層［13，18］，鍍層表面均勻彌散地分布著大量cBN 和hBN 顆粒，截面形貌也可以看出BN 顆粒較均勻地分散在鍍層中。

2.2 不同耐磨鍍層的硬度及結(jié)合力

表1給出了9Cr18不銹鋼表面硬鉻鍍層、化學(xué)鍍鎳層及Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的顯微硬度，圖2給出了Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的表面和截面硬度壓痕圖。由表1和圖2（a）可知，3種鍍層的表面硬度均可達(dá)800 HV 以上，但Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的表面硬度明顯更高；由表1和圖2（b）可知Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層的截面硬度更高，可達(dá)907 HV0.1，其鍍層硬度還可隨cBN顆粒含量進(jìn)行調(diào)整。

表1 不同耐磨鍍層的相關(guān)性能對(duì)比Tab.1 Comparison of related properties of different wear resistant coatings

圖2 Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層的硬度壓痕形貌Fig. 2 Hardness indentation morphology of Ni-cBN/hBN composite coating

此外，本文通過(guò)劃格法和劃痕儀綜合評(píng)價(jià)了三種鍍層與9Cr18 不銹鋼的結(jié)合力，結(jié)果見(jiàn)圖3 和表1。由圖3（a）可知，9Cr18不銹鋼經(jīng)過(guò)預(yù)鍍鎳處理后再進(jìn)行Ni-cBN/hBN 復(fù)合電鍍，鍍層結(jié)合力較好；劃格測(cè)試時(shí)鍍層完整、無(wú)剝落或起皮；劃痕儀測(cè)試顯示鍍層破裂臨屆載荷為24.8 N，經(jīng)公式換算后涂層結(jié)合強(qiáng)度達(dá)到68 MPa，滿(mǎn)足使用要求。然而，即使選擇預(yù)鍍鎳處理，9Cr18 不銹鋼表面硬鉻鍍層的結(jié)合力依舊較差，劃格測(cè)試時(shí)交叉處鍍層起粉、鼓泡，不滿(mǎn)足使用要求。此外，9Cr18 不銹鋼表面的化學(xué)鍍鎳層經(jīng)過(guò)熱處理后雖然硬度高達(dá)800 HV，劃格測(cè)試時(shí)雖然鍍層無(wú)明顯脫落、起皮現(xiàn)象，但劃痕儀測(cè)試顯示鍍層破裂的臨界載荷僅為14.3 N（見(jiàn)圖3b），經(jīng)公式換算后涂層結(jié)合強(qiáng)度約為49 MPa，低于鎳基復(fù)合鍍層與9Cr18 不銹鋼之間的結(jié)合力。因此，從結(jié)合力角度考慮，硬鉻鍍層不宜選做9Cr18 不銹鋼的耐磨鍍層，選擇Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層更為合適。

圖3 9Cr18不銹鋼表面不同耐磨鍍層的結(jié)合強(qiáng)度Fig. 3 Bond strength of different wear resistant coatings on 9Cr18 stainless steel

2.3 不同耐磨鍍層的常溫摩擦學(xué)性能

圖4、圖5 給出了9Cr18 不銹鋼表面不同耐磨鍍層在室溫條件下的磨損形貌及摩擦曲線(xiàn)；表2 給出了比磨損率結(jié)果。由表2 和圖5 可知，9Cr18 不銹鋼基體摩擦系數(shù)μ較大（μ=0.8）且隨時(shí)間劇烈波動(dòng)；摩擦60 min后，其比磨損率高達(dá)5.24×10-5mm3/（N·m），基底表面布滿(mǎn)了由黏著磨損引起的剝落坑及由磨粒磨損造成的深淺不一的犁溝，見(jiàn)圖4（a）。施加耐磨鍍層后，9Cr18 不銹鋼的摩擦系數(shù)均有所降低，但不同鍍層的耐磨性存在較大差異。

表2 9Cr18不銹鋼及不同鍍層的常溫比磨損率Tab.2 Specific wear rates of 9Cr18 stainless steel and different coatings at room temperature

圖4 9Cr18不銹鋼及不同鍍層的常溫磨損形貌及磨損輪廓Fig. 4 Wear morphology and wear profile of 9Cr18 stainless steel and different coatings at room temperature

圖5 常溫條件下9Cr18不銹鋼及不同鍍層的摩擦系數(shù)曲線(xiàn)Fig. 5 Friction coefficient curves of 9Cr18 stainless steel and different coating at room temperature

整體來(lái)看，Ni-P 化學(xué)鍍層的摩擦系數(shù)與Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層相近，均為0.5左右；硬鉻鍍層的摩擦系數(shù)高于前兩者、約為0.75。由圖4（b）可知，由于9Cr18 不銹鋼表面硬鉻鍍層結(jié)合力差，在摩擦應(yīng)力作用下涂層出現(xiàn)明顯剝落，隨之出現(xiàn)嚴(yán)重的黏著磨損，損失體積較大，比磨損率高達(dá)3.56×10-4mm3/（N·m），耐磨性較差。從圖4（c）和4（d）可知，Ni-P 化學(xué)鍍層和Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層在磨損后表面均以輕微的犁溝為主、未出現(xiàn)明顯的黏著剝落，比磨損率低于硬鉻鍍層。因此，在常溫條件下，二者均可選做9Cr18不銹鋼表面的耐磨鍍層。

2.4 不同耐磨鍍層的高溫摩擦學(xué)性能

考慮到精密活門(mén)會(huì)在200 ℃高溫環(huán)境下使用，因此還對(duì)比研究了9Cr18 不銹鋼表面不同鍍層在200 ℃條件下的摩擦磨損性能，結(jié)果見(jiàn)圖6、圖7 和表3。由圖4和圖6可知，相比于常溫條件，200 ℃下所有鍍層的摩擦系數(shù)均有所增加，磨損程度有所加劇。分析認(rèn)為，高溫可使金屬軟化、硬度降低，塑性變形容易發(fā)生，隨著滑動(dòng)摩擦的持續(xù)進(jìn)行，材料的連續(xù)性被破壞，引起剝層磨損［13，19-20］；同時(shí)高溫環(huán)境也會(huì)造成較為嚴(yán)重的黏著磨損。

表3 9Cr18不銹鋼表面不同鍍層在200 ℃下的比磨損率Tab.3 Specific wear rate of different coatings formed on 9Cr18 stainless steel at 200 ℃

圖6 200 ℃下9Cr18不銹鋼表面不同鍍層的摩擦系數(shù)曲線(xiàn)Fig. 6 Friction coefficient curves of different coatings on 9Cr18 stainless steel at 200 ℃

圖7 9Cr18不銹鋼表面不同鍍層在200 ℃下的磨損形貌及磨損輪廓Fig. 7 Wear morphology and wear profile of different coatings on 9Cr18 stainless steel at 200 ℃

對(duì)比3 種鍍層的摩擦系數(shù)和磨損形貌發(fā)現(xiàn)，硬鉻鍍層的摩擦系數(shù)仍然最高，約為1.0 左右，磨損后表面出現(xiàn)嚴(yán)重的粘著剝落坑，且鍍層脫落嚴(yán)重，其比磨損率高達(dá)5.67×10-4mm3/（N·m）。Ni-P 化學(xué)鍍層與Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的穩(wěn)定摩擦系數(shù)、磨損形貌均較為接近，說(shuō)明二者耐磨性相當(dāng)；但從圖6可以看出，Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間延長(zhǎng)一直呈下降趨勢(shì)，在長(zhǎng)期摩擦過(guò)程中，其耐磨性會(huì)更優(yōu)。分析認(rèn)為，Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層表面可能存在部分凸起的cBN 顆粒、表面粗糙度較高；磨損初期，鍍層中cBN 顆粒與Si3N4對(duì)磨小球發(fā)生磨損造成摩擦系數(shù)略高，但由于鍍層中存在hBN 顆粒，在磨損后期，hBN 可在膜層表面形成一層潤(rùn)滑膜，使得摩擦系數(shù)逐漸下降并在后期趨于穩(wěn)定［15，21］；因此，其綜合比磨損率（1.26×10-4mm3/（N·m））略低于化學(xué)鍍鎳層。

因此，綜合考慮三種耐磨鍍層的結(jié)合力、常溫耐磨性及高溫耐磨性，Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層更宜選作9Cr18不銹鋼表面的耐磨鍍層。

3 結(jié) 論

（1）硬鉻鍍層存在貫穿整個(gè)鍍層的微裂紋、且表面存在少量鉻瘤；Ni-P 化學(xué)鍍層表面呈胞狀結(jié)構(gòu)，但鍍層與基體之間結(jié)合不夠緊密；Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層表面及鍍層中均勻彌散地分布著大量cBN 和hBN 顆粒；3 種鍍層的硬度均可達(dá)800 HV 以上，且Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層的硬度略高。

（2）即使經(jīng)過(guò)預(yù)鍍鎳處理，9Cr18 不銹鋼表面硬鉻鍍層的結(jié)合力依舊較差；Ni-P 化學(xué)鍍層雖然劃格測(cè)試時(shí)鍍層無(wú)明顯脫落，但結(jié)合強(qiáng)度只有49 MPa；而經(jīng)預(yù)鍍鎳處理后再進(jìn)行復(fù)合電鍍，Ni-cBN/hBN復(fù)合鍍層結(jié)合力較好、結(jié)合強(qiáng)度大于68 MPa。

（3）無(wú)論常溫還是200 ℃下，9Cr18 不銹鋼表面硬鉻鍍層的摩擦系數(shù)均較高，且在摩擦應(yīng)力作用下涂層出現(xiàn)明顯剝落、黏著磨損嚴(yán)重，耐磨性較差。常溫下，Ni-P 化學(xué)鍍層和Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)、磨損形貌、比磨損率均較為接近，耐磨性相當(dāng)；200 ℃下，Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)隨磨損時(shí)間延長(zhǎng)呈下降趨勢(shì)，在長(zhǎng)期摩擦過(guò)程中其耐磨性更優(yōu)。

（4）綜合考慮3 種耐磨鍍層的結(jié)合力、常溫耐磨性及高溫耐磨性，Ni-cBN/hBN 復(fù)合鍍層更宜選作9Cr18不銹鋼表面的耐磨鍍層。