摘要：研究了Ni2P 镀层、Ni2P2纳米金刚石及Ni2P2微米金刚石复合镀层在不同的热处理温度、载荷及金刚石含量下的耐磨性，并分析了复合镀层提高基质金属耐磨性的机理。结果表明：三种镀层的磨损量均随着热处理温度的提高而下降，并在400 ℃时达到最小值；载荷增加，磨损量增大，在不同热处理温度及载荷下，Ni2P2微米金刚石复合镀层均显示出最好的耐磨性。当微米金刚石加入量在4～8g/ L 时，镀层的耐磨性最好。复合镀层提高耐磨性的原因在于复合粒子在基质金属表面形成突起，起到了支撑载荷、避免粘着磨损及减小摩擦系数的作用。
关键词：金刚石；复合镀层；耐磨性
1 引言
化学镀镍层具有优良的耐蚀性(特别是非晶镀层) ，但其耐磨性尚不足[1 ] 。近年来，依靠加入高硬度、高耐磨性的硬质粒子，使之与镍一起沉积所得到的复合镀层，大大提高了镀镍层的耐磨性，同时保持了镀镍层的耐蚀性[2 ，3 ] 。用复合镀来生产金刚石工磨具具有独到的优点，由于制造温度低，金刚石不存在热损耗，磨具尺寸易于控制，工件易于修补[4 ] 。复合镀技术在化工、机械、纺织等领域都有广阔的应用前景，其应用的核心就是镀层的耐磨性，因此对复合镀层的耐磨性及其耐磨机理进行深入研究是十分必要的。目前虽有不少这方面的工作，但缺乏系统深入的研究[5 ] ，特别是对影响复合镀层耐磨性的两个重要因素：颗粒粒径及颗粒含量研究很少。本工作用两种粒径的金刚石作为复合粒子，研究了热处理温度、载荷及金刚石含量对Ni2P2金刚石复合镀层的耐磨性的影响，并通过分析磨损数据及磨损形貌提出了复合镀层的耐磨机理。
2 试验方法
化学镀镍配方及复合镀工艺：硫酸镍25g/ L ，次亚磷酸钠20g/ L ，醋酸钠14g/ L ，络和剂适量，稳定剂适量，温度86 ℃±1 ℃，pH 值4. 4～4. 6 。
进行复合镀时加入适量金刚石。纳米金刚石由北京理工大学提供， 采用爆轰合成， 爆轰高压>20GPa ，温度> 3 000 K，粒径5～15nm[6 ] ，微米金刚石粒径0. 5～1μm。
磨损试验在M2200 型磨损试验机上进行，用环2块式摩擦。施镀于上试样(块) 上，尺寸10mm ×10mm ×10mm ，以45 钢作为基底，硬度45～48HV。对磨件为GCr15 钢环，淬、回火后硬度62～66HV ，尺寸为<40mm ×<16mm ×10mm ，外径表面粗糙度Ra = 0. 63μm ，磨损时采用40 # 机油润滑，滴速14d/min ，下试样转速200r/ min ，磨损时间40min。磨损量用体积磨损量表示，通过读取摩擦力矩来计算摩擦系数μ。即：
μ =T/(R×P)
式中T 为摩擦力矩；R 为下试样半径；P 为载荷。磨损后的试样经丙酮清洗，在MM26 型光学显微镜上用相衬技术观察磨损形貌。
3 结果及讨论
3. 1 镀层组织
图1 为Ni2P 镀层及Ni2P2金刚石复合镀层的横截面组织，可见镀层厚度约为20μm ，在Ni2P2金刚石复合镀层中可见细小颗粒。
(a) Ni2P 镀层
(b) Ni2P2微米金刚石复合镀层
图1 两种镀层的横截面形貌
Fig. 1 Section micrograph of two coatings
(a) Ni2P coating (b) Ni2P micro2diamond coating
3. 2 不同条件下的磨损量
3. 2. 1 不同热处理温度下的磨损量
图2a 为Ni2P 镀层、Ni2P2纳米金刚石以及Ni2P2微米金刚石复合镀层经不同温度热处理后的磨损量的变化(热处理时间均为1h) 。可见，Ni2P2微米金刚石复合镀层具有最好的耐磨性，其次是Ni2P2纳米金刚石复合镀层，Ni2P 镀层的耐磨性最差，但纳米金刚石复合镀层对Ni2P 镀层耐磨性的提高作用很小。三种镀层的耐磨性均随着热处理温度的提高而提高，并在400 ℃时达到最佳耐磨性，这是由于热处理时Ni2P 基质发生晶化，硬度明显增加，导致耐磨性提高。其中Ni2P 镀层以及Ni2P2纳米金刚石复合镀层耐磨性受热处理温度的影响十分显著，晶化后磨损量陡降。而Ni2P 微米金刚石复合镀层的耐磨性随热处理温度的变化并不明显，因而镀态时Ni2P2微米金刚石复合镀层与Ni2P 镀层的耐磨性差异最为显著。由于热处理所带来的耐磨性的变化是由Ni2P 基质的晶化引起的，说明Ni2P2微米金刚石复合镀层的耐磨性并不主要取决于Ni2P 基质，更主要的作用因素是复合粒子，显然其磨损的机制已经改变。而Ni2P 纳米金刚石复合镀层的耐磨性主要由Ni2P基质决定，纳米金刚石的加入并没有明显改变Ni2P镀层的耐磨性及磨损机制。
(a) 不同热处理温度( b) 不同载荷( c) 不同微米金刚石含量
图2 不同条件下的磨损量分析
3. 2. 2 不同载荷下磨损量
图2b 为三种镀层在不同载荷下的磨损量的变化(试样均经350 ℃×1h) ，可见，三种镀层的磨损量均随载荷的增加而增加，Ni2P2微米金刚石镀层具有最好的耐磨性，其次是Ni2P2纳米金刚石复合镀层，Ni2P 镀层最差，载荷越大，差别越明显。Ni2P 镀层在载荷增至98N 后，磨损量有一个明显变化，而Ni2P2微米金刚石镀层的磨损量随载荷的变化较为平缓，这种镀层抵抗高载的能力很好。Ni2P2纳米金刚石镀层的磨损量在载荷超过147N 后也明显增加，显然这种复合镀层的耐磨性不如Ni2P2微米金刚石复合镀层，特别是在较高的载荷下差别更明显。
3. 2. 3 不同金刚石含量的磨损量
图2c 为金刚石加入量不同时Ni2P2微米金刚石复合镀层耐磨性的比较(试样均经350 ℃×1h) 。可见，金刚石加入量并不是越多越好，金刚石加入量达4g/ L 时，磨损量比加入量为2g/ L 时明显下降；8g/L 时，磨损量最小，耐磨性最好；此后，进一步增加金刚石的加入量，磨损量有所增加。因此，金刚石加入量在4～8g/ L 时镀层可获得较佳的耐磨性。定量金相分析显示，此时金刚石间距约为2μm。
3. 3 磨损机制分析
上述试验结果表明，微米金刚石的加入，明显提高了Ni2P 镀层的耐磨性，在不同的载荷和不同热处理温度下，其磨损量均最小；纳米金刚石的加入虽也可以提高Ni2P 镀层的耐磨性，但其作用并不明显。Ni2P镀层或Ni2P2纳米金刚石复合镀层的磨损量随热处理温度或载荷的变化明显，而加有微米金刚石的镀层变化不大，曲线平缓；由于这种变化是基质Ni2P 的组织结构变化或其磨损特征变化所致，而微米金刚石对镀层耐磨性起到了关键性的作用，从而掩盖了基质Ni2P 的作用。金刚石如何提高Ni2P 镀层耐磨性的呢? 根本原因是金刚石突出于基质Ni2P 表面。图3 为Ni2P2金刚石镀层表面的磨损形貌，可见金刚石在镀层表面形成了微小突起。图4 为Ni2P 镀层及Ni2P2金刚石复合镀层磨损后表面的轮廓，显示出的凹槽是线摩擦形成的磨痕。可见Ni2P镀层磨损后磨痕较深，表面十分平滑，而Ni2P2微米金刚石表面磨损后的轮廓图磨痕很浅，几乎看不到凹槽，但高低不平的形貌说明其表面存在许多突起。而且，与Ni2P2微米金刚石复合镀层对磨的工件表面也显示出明显的沟槽痕迹，而与Ni2P 或Ni2P2纳米金刚石表面对磨的工件上则比较平滑，显然沟槽的痕迹是由于金刚石突起刮擦对磨件形成的。
图3 金刚石在镀层表面形成突起
Fig. 3 Diamond sticking out of the coating
图4 表面轮廓图
Fig. 4 Surface contour of wear coatings
金刚石在基质金属表面所形成的突起首先起到承载作用，高强度、高硬度的金刚石大幅度提高了镀层的承载能力，使得镀层在高载下仍显示出较好的耐磨性；其次，金刚石突起较大程度地避免了基质金属与对磨件的直接接触，大大减小了粘着磨损的发生。图5 为Ni2P 镀层及Ni2P2金刚石复合镀层在不同载荷下的磨损形貌，可见Ni2P 镀层在98 N 载荷下，已出现明显的粘着磨损特征，当载荷超过98N时其磨损量大幅度增加。而Ni2P 微米金刚石复合镀层在196N 的载荷下仍以磨粒磨损特征为主；对Ni2P2纳米金刚石复合镀层来说，由于纳米金刚石极易团聚，它在镀层中是以微米级团聚体的形式存在[6 ] ，相互间的结合很弱，在磨损载荷的作用下容易分离，而且纳米金刚石粒径太小，不能形成突起，也不能承载，当载荷超过147N 后，这种镀层也明显显示出粘着磨损的特征。图6 为不同载荷下三种镀层的摩擦系数随时间的变化。可见Ni2P2金刚石复合镀层的摩擦系数最小。 
(a) Ni2P 镀层(98N) (b) Ni2P2纳米金刚石镀层(147N) (c) Ni2P2微米金刚石镀层(196N)
图5 镀层表面的磨损形貌
(a) Ni2P 镀层(b) Ni2P2纳米金刚石复合镀层(c) Ni2P2微米金刚石复合镀层
图6 三种镀层在不同载荷下的摩擦系数
由于复合镀层中复合粒子与基质Ni2P 间是机械结合，容易脱落，图7 为Ni2P2微米金刚石镀层磨损区域中两粒金刚石的成分点分析，由图7a 可见，图中的金刚石尚未脱落，其C 含量很高，而图7b 中的金刚石下方形成了一个曳尾，显然是脱落后形成的沟槽，其C含量也是很低的，金刚石脱落后会形成磨粒磨损。复合镀层中复合粒子的含量并不是越多越好，但也不能太少，如果能保证基质Ni - P对复合粒子的支撑，粒子越多，其承载能力越强，因而，金刚石的含量存在一个最佳的范围，金钢石分布也有一个合理的间距，Ni - P - 微米金刚石复合镀层的最佳加入量约4～8g/ L ，此时金刚石的间距约为2μm。
4 结论
(1) Ni2P 镀层、Ni2P2纳米金刚石及Ni2 P2微米金刚石复合镀层的耐磨性随热处理温度的提高而提高，并在400 ℃时达到最佳值。载荷增加，磨损量增大， Ni2P 微米金刚石复合镀层在不同载荷下磨损量最小，且变化不大。
(2) Ni2P 微米金刚石复合镀层具有优良耐磨性是由于金刚石在基质金属表面形成突起，起到了支撑载荷、避免粘着磨损及减小摩擦系数的作用。
(3) 当微米金刚石加入量为4～8g/ L 时，耐磨性最好。此时，金刚石间距约为2μm。
参考文献：
[ 1 ] 靳新位，朱勋，等. 化学镀镍层的物理和化学性能与磷含量的关系[J ] . 表面技术， 1997 ，26 (5) ：12 - 14.
[ 2 ] 朱诚意，郭忠诚，刘中华. 国内复合镀层最新进展及应用[J ] .电镀与环保， 1998 ，18 (1) ：3 - 7.
[ 3 ] 李淑苓，李谷松，丁炳哲，等. 几种复合镀层的研究[J ] . 表面技术，1993 ，22 (1) ：15 - 18.(end)
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