化学复合镀层在NaOH中耐磨蚀性研究

发布日期：2012-04-18 浏览次数：1413

关键词：化学，复合镀，镀层，NaOH，耐磨蚀性，研究

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机械装备在使用中经常出现腐蚀环境下材料的摩擦磨损,这一现象称为腐蚀磨损,简称磨蚀。磨蚀严重影响着机械装备的使用寿命。例如氯碱工业碱液蒸发工艺,浓缩NaOH使之成为商品液碱,并利用NaOH浓度提高后,NaCl在碱液中溶解度急剧下降进而结晶析出,而将NaCl除去。在Zaremba四效逆流蒸发工艺中碱液温度高达100～150℃,浓度从10%浓缩至50%,因此高温、高浓度含固体悬浮NaCl的碱液,对设备、管路、泵、阀门产生强烈的磨蚀作用,如δ=3mm的碳钢管材,在30%NaOH中80～85℃时,使用寿命仅6～11个月[1]。多年来,人们一直在探索提升材料耐磨蚀性的途径,例如,采用新材料,对材料进行表面处理、涂装等。近年来低磷(镀层含磷量在4%(质量分数)以下)化学镀镍层在NaOH环境中的耐磨蚀性已有报道[2],但其复合镀层的耐磨蚀性尚未见报道。由于Cr2O3具有非常稳定的物理、化学性质,而且具有较高的硬度(HV2940)和较好的性能价格比,因此本文作者试图在低磷化学镀镍层中加入Cr2O3固体微粒,构成一种低磷Ni P Cr2O3化学复合镀层,以进一步提升镀层在NaOH环境中的耐磨蚀性能。

1实验方法

1.1实验材料与试样

磨蚀试样采用45#调质钢,其硬度值为HB225,经铣、磨、线切割后,加工成梯形试样。试件镀层厚度为15～20μm,镀层中P的质量分数为3%～4%,Ni的质量分数为85%～91%,Cr2O3的质量分数为5%～12%,La2O3的质量分数为0 04%。

1.2实验过程

硬度测试在HV 1000型显微硬度计上进行,载荷0 245N,时间为10s。磨蚀试验在JW 702型磨损试验机上进行。摩擦副是由上面静止的柱销和下面旋转槽内的24块不同镀制方法及不同热处理温度处理的试样拼接成的圆环所构成,槽内腐蚀介质为NaOH。上摩擦副柱销材料为W9Cr4V2,其硬度值为HRC62～64,尺寸为5mm×20mm,实验施加载荷为22 5N。下盘转速为266r/min。磨蚀量为磨蚀前后的质量差,用万分之一分析天平称量。试验时间为5h。

2实验现象及讨论

2.1NaOH浓度对镀层磨蚀的影响

图1为镀层的磨蚀量与NaOH浓度的关系。试件镀层为镀态,镀层中P的质量分数为3 5%,Ni的质量分数为89%,Cr2O3的质量分数为7 5%,实验温度为常温,但由于摩擦放热,接触面瞬时温度超过常温。由图1可见,磨蚀量随NaOH浓度的升高略有增加,基本上呈线性关系,没有突变现象,说明低磷镀层在各种浓度的NaOH介质中均不发生碱脆。在该镀层中加入坚硬的Cr2O3微粒后,明显地提升了镀层的耐磨蚀性,在任何NaOH浓度下复合镀层的耐磨蚀性均优于Ni P镀层。

2.2镀层中Cr2O3含量对镀层耐磨蚀性的影响

在常温和20%NaOH条件下,测试了不同Cr2O3含量镀层(镀态)的耐磨蚀性能,见图2。由图2可见,在此条件下,镀层的耐磨蚀性与镀层中Cr2O3含量有关。Cr2O3的质量分数在小于8%时,磨蚀量随Cr2O3含量的增加而降低;质量分数在8%左右时磨蚀量达到最低点;质量分数超过8%时磨蚀量略有增加。这一现象说明,金属镀层嵌合固体粒子的能力是有限的。若镀层中加入过多的固体粒子,由于嵌合力降低将导致磨蚀量增加。

2.3热处理条件对镀层硬度及耐磨蚀性的影响Ni P Cr2O3复合镀层在不同热处理条件下的硬度,见表1。

由表1可见热处理可显著提高镀层的硬度,经400℃(1h)热处理的镀层硬度达到最高值。

在常温和40%NaOH条件下,测试了经不同热处理镀层(镀层中Cr2O3质量分数为7 5%)的耐磨蚀性能,见图3。由图3可见,经200℃(1h)热处理,消除了镀层中的拉伸应力及残留的氢,镀层的耐磨蚀性比镀态有所改善。经400℃(1h)热处理后,由于镀层的硬度显著提高,同时与基材的结合力也增强,镀层的耐磨蚀性达到最佳状态。在600℃(1h)热处理条件下,虽然镀层与基材的结合力进一步增强,但由于镀层的硬度明显下降,致使磨蚀量回升。