9Cr18 不锈钢表面不同耐磨镀层的微观结构及耐磨性研究

9Cr18 不锈钢表面不同耐磨镀层的微观结构及耐磨性研究

9Cr18不锈钢表面不同耐磨涂层组织及耐磨性能

于兰1、王振涛2、熊武耀1、潘鹤3、黄鑫1、王帅兴2*、唐华1、杜楠2

(1.；2.南昌航空大学材料科学与工程学院；3.)

概括

为了满足9Cr18不锈钢的耐磨性要求，选取硬铬涂层、Ni-P化学涂层和Ni-cBN/hBN复合涂层3种涂层，通过扫描电镜、划痕法、球盘磨损试验等研究其组织结构、结合强度、常温和高温耐磨性的差异。结果表明：3种涂层的硬度均可达到800 HV以上，但Ni-cBN/hBN复合涂层的硬度略高；预镀镍后Ni-cBN/hBN复合涂层与基体的结合强度高达68 MPa，但硬铬涂层与基体的结合强度较差；Ni-P化学涂层和Ni-cBN/hBN复合涂层在室温下的耐磨性相当，但Ni-cBN/hBN复合涂层在200 ℃下的耐磨性略好；硬铬涂层在摩擦应力作用下出现明显的剥落和严重的粘着磨损，耐磨性较差。 Ni-cBN/hBN复合涂层更适合作为9Cr18不锈钢表面的耐磨涂层。

关键词：9Cr18不锈钢；镀硬铬；Ni-P化学镀；Ni-cBN/hBN复合镀；耐磨性

9Cr18不锈钢大量用于制作航空发动机齿轮、阀门等关键零部件。在长期高速旋转、高温条件下，其表面极易发生磨损失效；因此，为了提高这些关键零部件的使用寿命和可靠性，往往需要涂覆一层高温耐磨涂层。电镀、化学镀、激光熔覆、热喷涂等是制备耐磨涂层的常用方法。其中，硬铬镀层硬度高达700~800 HV，广泛应用于齿轮、轴类零件等的耐磨处理；化学Ni-P合金镀层经热处理后硬度也可达到800 HV以上，也广泛应用于不锈钢、钛​​合金的耐磨处理。

此外，复合电镀作为电镀技术的延伸，在耐磨涂层的制备方面更具有竞争力，Ni-金刚石、Ni-Si3N4复合涂层已应用于军事和民用领域。此外，鉴于立方氮化硼（cBN）颗粒具有较高的硬度和良好的热稳定性，有学者制备了Ni-cBN耐磨涂层，以提高合金的高温耐磨性；也有学者利用六方氮化硼（hBN）的良好润滑性，制备了Ni-hBN减摩涂层，研究证实Ni-hBN涂层的摩擦系数可低至0.08。兼顾cBN颗粒的高硬度和hBN的润滑性，前期研究也证实Ni-cBN/hBN复合涂层可实现耐磨性和减摩性能的协同提高，在不锈钢、钛​​合金等零件的耐磨处理中具有很大的优势。 因此本文选取镀硬铬、化学镀镍、Ni-cBN/hBN复合镀层3种涂层对9Cr18不锈钢进行表面处理，比较其在结合强度、室温耐磨性、高温耐磨性等方面的性能差异，研究结果可为航空发动机中耐磨涂层的选择及关键部件的表面强化提供一定的数据参考。

1 实验

1.1

基材及电镀工艺

以9Cr18不锈钢为基体，尺寸为Ф20×5mm，主要工艺流程为：除油→温水洗→冷水洗→酸洗活化→去离子水洗→预镀镍→去离子水洗→电镀（化学镀）→去离子水洗→吹干。

化学脱脂液组成及工艺条件为：NaOH 40~60 g/L、30~40 g/L、35~60 g/L，9H2O 10~20 g/L，温度60~70℃，时间5~8 min。

活化液组成及工艺条件为：HCl 20~35 g/L，室温，时间1~2 min。

预镀镍溶液成分及工艺条件为：NiCl2 400 g/L、HCl 120 g/L、电流密度4 A/dm2、温度60~70℃、时间15 min。

镀硬铬配方及工艺参数为：CrO3 250 g/L、H2SO4 2.5 g/L、电流密度40~50 A/dm2、温度57~60℃、时间30 min。

化学镀镍配方及工艺参数为：6H2O 25~30 g/L、MgSO 15 g/L、NH4Cl 50 g/L、柠檬酸钠60 g/L、pH值8.5~9.5、温度80~85℃、时间5 min。

Ni-cBN/hBN复合电沉积配方及工艺参数为：Ni（）2·4H2O 150~200 g/L、H3BO3 35~40 g/L、NiCl2 5 g/L、十二烷基硫酸钠0.1 g/L、cBN颗粒60 g/L、hBN颗粒10 g/L，电流密度2~4 A/dm2，温度55~60 ℃，时间60 min。

1.2

涂层结构和结合强度的表征

采用Nova Nano SEM 450场发射扫描电子显微镜(FESEM)和D8-X射线衍射仪(XRD)对不同涂层的组织结构进行分析。采用数显显微维氏硬度计在室温下测量不同涂层的硬度。表面硬度试验载荷为350 g。考虑到涂层厚度不超过20 μm，横截面硬度试验载荷设置为100 g。

采用WS-2005划痕试验机测试不同处理后的涂层与9Cr18不锈钢基体的结合强度。试验时，用金刚石探针沿涂层表面划痕，瞬时界面开裂所对应的载荷为临界载荷（Lc）；加载速率为20 N/min，载荷范围为0~40 N，通过声发射信号记录Lc。涂层-基体界面的结合强度（τ）可按照以下公式计算。

式中：R为划针半径(200μm)；A为划针与涂层的接触半径，A=(Lc/πH)1/2；Lc为临界载荷；H为基体硬度；k为无量纲常数，通常取0.15。

采用HT-1000高温球盘磨损机测试不同涂层的摩擦学性能。摩擦副为5 mm Si3N4球，温度为室温和200 ℃，转速为200 rad/min，载荷为5 N，磨损轨迹半径为5 mm，磨损时间为30 min。摩擦后，用KH-7700三维视频显微镜观察磨痕形貌，拟合磨痕截面积A（mm2），根据下式计算比磨损率K（mm3/N·m）。

式中：r为磨损轨道半径（mm）；V为磨损体积（mm3）；P为荷载（N）；S为滑动距离（m）。

2 结果与讨论

2.1

不同耐磨涂层的微观组织

图1为9Cr18不锈钢表面不同镀层的表面及截面SEM像。如图1(a)、1(b)所示，标准硬铬镀层表面存在细小而长的裂纹，且裂纹贯穿整个镀层至基体，局部表面还存在少量的铬结节。如图1(c)、1(d)所示，化学镀Ni-P镀层表面呈现胞状结构，但镀层与基体结合并不紧密，存在微小空隙。如图1(e)、1(f)所示，通过复合电沉积，cBN和hBN颗粒在电场力和机械搅拌作用下与Ni共沉积，形成Ni-BN复合镀层，大量的cBN和hBN颗粒均匀分散在镀层表面。 截面形貌也表明BN颗粒在涂层中分散较为均匀。

图 不锈钢表面不同涂层的表面和横截面SEM图像

2.2

不同耐磨涂层的硬度和结合强度

表1 不同耐磨涂层相关性能比较

表1为9Cr18不锈钢表面硬铬涂层、化学镍涂层及Ni-cBN/hBN复合涂层的显微硬度，图2为Ni-cBN/hBN复合涂层的表面和横截面硬度压痕图。由表1和图2（a）可以看出，三种涂层的表面硬度均可达到800 HV以上，但Ni-cBN/hBN复合涂层的表面硬度明显较高；由表1和图2（b）可以看出，Ni-cBN/hBN复合涂层的横截面硬度较高，可达907 HV0.1，同时涂层硬度也可随cBN颗粒含量的增加而调节。

图2 Ni-cBN/hBN复合涂层硬度压痕形貌

图2 不同耐磨涂层在不锈钢表面的结合强度

此外，本文采用划格法和划痕仪综合评价了3种镀层与9Cr18不锈钢的结合强度，结果如图3和表1所示。如图3（a）所示，9Cr18不锈钢预镀镍后再进行Ni-cBN/hBN复合电镀，镀层结合强度良好；划格试验过程中镀层完好，未出现剥离、剥落现象；划痕仪试验可知，镀层断裂的临界载荷为24.8 N。经公式换算后，镀层结合强度达到68 MPa，满足使用要求。但即使选择预镀镍，9Cr18不锈钢表面硬铬镀层的结合强度仍然较差，划格试验过程中交叉处镀层出现粉化、起泡现象，不能满足使用要求。 此外，虽然热处理后9Cr18不锈钢表面化学镀镍层硬度高达800 HV，且在划格试验过程中未出现涂层明显起皮或剥落现象，但划痕试验表明涂层断裂的临界载荷仅为14.3 N（见图3b）。经公式换算后，涂层结合强度约为49 MPa，低于镍基复合涂层与9Cr18不锈钢的结合强度。因此，从结合强度的角度考虑，不宜选择硬铬镀层作为9Cr18不锈钢的耐磨涂层，Ni-cBN/hBN复合涂层更为合适。

2.3

不同耐磨涂层的室温摩擦学性能

图4、图5为室温下9Cr18不锈钢表面不同耐磨涂层的磨损形貌及摩擦曲线；表2为比磨损率结果。由表2和图5可以看出，9Cr18不锈钢基体的摩擦系数μ较大（μ=0.8）且随时间波动较大；摩擦60 min后其比磨损率高达5.24×10-5 mm3/(N·m)，且基体表面布满了粘着磨损造成的剥落坑和磨粒磨损造成的深度不等的沟槽，如图4（a）所示。涂敷耐磨涂层后，9Cr18不锈钢的摩擦系数有所降低，但不同涂层的耐磨性差异较大。

图3 室温下不锈钢及不同涂层的磨损形貌及磨损轮廓

表 室温下不锈钢及不同涂层的比磨损率

总体来看，Ni-P化学镀层与Ni-cBN/hBN复合镀层的摩擦系数相近，均为0.5左右；硬铬镀层的摩擦系数高于前两者，约为0.75。如图4（b）所示，由于9Cr18不锈钢表面硬铬镀层的结合强度差，在摩擦应力作用下，镀层发生明显剥落，出现严重的粘着磨损，损失体积较大，比磨损率高达3.56×10-4 mm3/(N·m)，耐磨性较差。如图4（c）、4（d）所示，Ni-P化学镀层和Ni-cBN/hBN复合镀层磨损后表面主要以轻微的沟槽为主，无明显的粘着剥落现象，比磨损率低于硬铬镀层。因此，在常温条件下，二者均可作为9Cr18不锈钢表面的耐磨镀层。

图5 9Cr18不锈钢与不同涂层室温摩擦系数曲线

2.4

不同耐磨涂层的高温摩擦学性能

考虑到精密阀门将在200 ℃的高温环境下使用，对9Cr18不锈钢表面不同涂层在200 ℃下的摩擦磨损性能进行了对比研究，结果如图6、图7和表3所示。由图4、图6可知，与常温条件相比，200 ℃下所有涂层的摩擦因数均有所增大，磨损程度加剧。分析可知，高温会使金属软化，硬度降低，易发生塑性变形，随着滑动摩擦的持续，材料的连续性被破坏，造成剥离磨损；同时，高温环境还会造成较为严重的粘着磨损。

图6 200 ℃时9Cr18不锈钢表面不同涂层的摩擦系数曲线

图3 200 ℃下不同涂层在不锈钢表面的磨损形貌及磨损轮廓

对比3种镀层的摩擦系数和磨损形貌发现，硬铬镀层的摩擦系数仍然最大，约为1.0。磨损后表面出现严重的粘连和剥落坑，镀层脱落严重，其比磨损率高达5.67×10-4 mm3/(N·m)。Ni-P化学镀层和Ni-cBN/hBN复合镀层的稳定摩擦系数和磨损形貌比较接近，说明二者的耐磨性不相上下；但从图6中可以看出，随着摩擦时间的延长，Ni-cBN/hBN复合镀层的摩擦系数一直在减小，在长期的摩擦过程中，其耐磨性会更好。分析表明，Ni-cBN/hBN复合镀层表面可能存在一些凸起的cBN颗粒，且表面粗糙度相对较高。 在磨损初期，涂层中的cBN颗粒与Si3N4磨球相互磨损，导致摩擦系数略高；但由于涂层中hBN颗粒的存在，在磨损后期，hBN能在膜层表面形成一层润滑膜，导致摩擦系数逐渐减小并在后期趋于稳定，因此其综合比磨损率（1.26×10-4 mm3/(N·m)）略低于化学镀镍层。

因此，综合考虑3种耐磨涂层的结合强度、室温耐磨性和高温耐磨性，Ni-cBN/hBN复合涂层更适合作为9Cr18不锈钢表面的耐磨涂层。

表200 ℃下不锈钢表面不同涂层的比磨损率

3 结论

(1)硬铬镀层存在贯穿整个镀层的微裂纹,表面有少量的铬结节;Ni-P化学镀层表面呈现胞状结构,但镀层与基体结合不够紧密;Ni-cBN/hBN复合镀层表面及内部均匀分布有大量的cBN和hBN颗粒;3种镀层硬度均可达到800HV以上,且Ni-cBN/hBN复合镀层的硬度略高。

(2)即使经过预镀镍后，9Cr18不锈钢表面硬铬镀层的结合强度仍然较差，虽然在划格试验过程中Ni-P化学镀层没有明显脱落，但结合强度仅为49 MPa；经过预镀镍再复合电镀后，Ni-cBN/hBN复合镀层具有更好的结合强度，结合强度大于68 MPa。

（3）无论在室温还是200 ℃时，9Cr18不锈钢表面硬铬镀层的摩擦系数都较大，且在摩擦应力作用下镀层剥落明显且粘着磨损严重，耐磨性较差。室温下Ni-P化学镀层和Ni-cBN/hBN复合镀层的摩擦系数、磨损形貌、比磨损率相似，耐磨性相当；在200 ℃时，Ni-cBN/hBN复合镀层的摩擦系数随磨损时间的延长而减小，在长期摩擦过程中其耐磨性更佳。

(4)综合考虑3种耐磨涂层的结合强度、室温耐磨性和高温耐磨性,Ni-cBN/hBN复合涂层更适合作为9Cr18不锈钢表面的耐磨涂层。

*通讯作者：王帅兴，电子邮箱：

基金项目：中国航空发动机集团公司产学研合作项目（）

引用本文：

电镀与涂饰, 2023, 45(11): 1-8

doi:10.3969/j.issn.1001-3849.2023.11.001