采用電鍍法在旋鉚頭(鉚接不銹鋼鉚釘用)上沉積Ni-W合金鍍層,并對旋鉚頭的失效形式、鍍層的組織形貌、組織結構、顯微硬度、耐磨性能等進行了分析和討論。結果表明,已鍍旋鉚頭的使用壽命比未鍍旋鉚頭的壽命提高兩倍以上。

　　關鍵詞：旋鉚頭;電鍍;Ni-W合金鍍層

　　中圖分類號：TG174.441文獻標志碼：A

　　1前言

　　以鎳磷、鎳鎢為主的鎳基合金電鍍由于操作容易,鍍層具有較高的硬度、致密性、耐蝕性、耐磨性、耐高溫性及良好的外觀,在工具、成形模具上的應用研究國內已有了不少報道。但由于模具的使用條件和影響因素復雜多樣,使得鎳基合金鍍層在工模具上的應用受到了很大制約,其中不銹鋼成形模具更是一個難點。這主要是目前國內普遍使用的不銹鋼成形模具材料為Cr12(或Cr12MoV)、高速鋼、合金鑄鐵等鐵基合金模具材料,而這些材料與不銹鋼(如:SUS304、SUS430等)互溶性大,容易在制品和模具之間發(fā)生粘著,輕則降低模具壽命,在工件表面產生劃痕劃傷,重則由于模具與工件之間發(fā)生冷焊現(xiàn)象,使模具報廢。Ni-W合金鍍層,特別是當其鍍層為納米晶、非晶時,鍍層中因晶界、間隙、位錯和組分偏析較少,性能更加優(yōu)異,與不銹鋼的互溶性不大,對改變鍍層的耐磨性和防粘著性有良好效果。為了研究Ni-W合金鍍層在不銹鋼成形工模具上的實際應用狀況和可行性,本文選用廣東汕頭某公司的旋鉚頭(不銹鋼鉚釘在鉚接過程中所使用的成形工模具)進行電鍍Ni-W合金納米晶、非晶鍍層試驗,并對其使用壽命、失效形式、表面涂層組織和硬度等方面進行了分析。

　　2試驗材料及方法

　　2.1旋鉚頭材料及制造工藝

　　旋鉚頭材料為Cr12,主要成份為(%):2·00-2·3C,11·5-13Cr,≤0·35Mn,≤0·40Si;旋鉚釘材料為SUS304不銹鋼。旋鉚頭形狀及尺寸如圖1所示,表面粗糙度為Ra1·25μm。

　　工藝流程為:下料→退火→車削→熱處理→精磨。退火在箱式爐中進行,工藝為850℃-870℃保溫1h,然后在740℃-760℃等溫3h-4h,隨爐冷至500℃后出爐空冷;硬度要求小于或等于255HB。高溫1100℃淬火后,500℃回火(2h)二次,沖頭硬度為59-61HRC。

　　2.2電鍍Ni-W合金納米晶、非晶鍍層工藝

　　鍍液組成:硫酸鎳60g/L,鎢酸鈉150g/L,檸檬酸130g/L,用分析純試劑和蒸餾水配制溶液,氨水做調節(jié)鍍液PH值用的添加劑。

　　電鍍裝置:陽極為純鎳板,陰極為旋鉚頭(頭部正對鎳板)及測試樣;鍍槽為2000ml燒杯,用DF1782SL2A型線性直流穩(wěn)壓穩(wěn)流電源控制電流密度,JB-3型定時恒溫磁力攪拌器控制槽液溫度并在電鍍過程中起攪拌作用。

　　電鍍試驗步驟:(1)配制鍍液:分別稱量所需藥品,加一定量蒸餾水攪拌至完全溶解;將鎢酸鈉溶液加入硫酸鎳溶液中,充分攪拌;再加入檸檬酸溶液,充分攪拌;然后加入氨水調節(jié)PH值,用精密試紙測定;最后加蒸餾水至規(guī)定體積。(2)恒溫磁力攪拌器加熱并不斷攪拌鍍液至規(guī)定的溫度。(3)將打磨好的旋鉚頭經(jīng)堿性除油→熱水清洗→冷水清洗→酸洗活化→冷水清洗→蒸餾水清洗后裝掛入槽,通電電鍍。

　　鍍液溫度65℃,PH值為5,電流密度20A/dm2,電鍍時間45min。為了性能檢測需要,對測試樣Cr12片(尺寸為15mm×20mm×1.5mm)也采用相同的處理工藝。

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　　2.3測試方法

　　S-3400N-Ⅱ型掃描電鏡觀測鍍層斷面形貌,并用其附帶OXFORDINCAEDS能譜儀分析鍍層成分;用日產MVK-H3型超微負荷顯微硬度計測量鍍層的顯微硬度,加載時間15s,載荷25g,并用所帶數(shù)碼攝影系統(tǒng)觀察鍍層的表面形貌;用日本Rigaku生產的D/MAX2200VPC型X射線衍射儀(XRD)對鍍層的晶態(tài)結構進行分析(條件是石墨單色器,Cu靶,管電壓40kV,管電流30mA,掃描速度6°/min);用WS-92型聲發(fā)射劃痕儀測膜基結合力;用日本產HEIDON22型表面性能測試儀測試膜層的耐磨性能(金剛石壓頭直徑為0·2mm,載荷為1kg),采用往復式刻劃磨損試驗法,并觀測磨痕寬度。旋鉚頭在MYXM5000液壓旋鉚機上使用,用SUS304不銹鋼鉚釘對不銹鋼門(窗)進行鉚接。

　　3試驗結果及分析

　　3.1鍍層的形貌

　　用超微負荷顯微硬度機的金相系統(tǒng)及掃描電鏡觀察與旋鉚頭同工藝條件下制備出的測試樣的Ni-W合金鍍層表面與斷面形貌。如圖2、圖3所示,鍍層表面均勻光整,鍍層斷面均勻致密,鍍層與基體的結合呈咬合狀(以咬合狀結合的層基比平直結合的層基結合力要大)。經(jīng)能譜檢測,證實鍍層中鎢的重量百分比為45·56%,鎳的重量百分比為54·44%;鎢的原子百分比為21·48%,鎳的原子百分比為78·52%。膜層的總厚度約為15μm。

　　3.2鍍層的組織結構

　　采用X射線衍射儀對與旋鉚頭同工藝條件下制備出的測試樣鍍層進行分析,結果如圖4所示。試樣在2θ1=43·30°、2θ2=50·40°、2θ3=74·06°等處出現(xiàn)三條衍射峰,且在2θ1=43·30°處衍射曲線表現(xiàn)出明顯寬化,出現(xiàn)一個形狀接近于“饅頭型”的衍射峰。而純金屬Ni的三條強衍射峰對應的2θ角分別為2θ1=44·62°、2θ2=51·94°、2θ3=76·14°,對應Ni的(111)、(200)、(220)晶面;純金屬W的三條強衍射峰對應的2θ角分別為2θ1=40·26°、2θ2=58·36°、2θ3=73·38°?？梢奛i-W鍍層合金與純金屬Ni的峰位極為相近,說明Ni-W合金在結構上是一個以Ni為溶劑、W為溶質的置換型固溶體。XRD的寬化表明,W的溶入引起不均勻的晶格畸變,而當W含量較大(從上述能譜分析可知W的重量百分比為45.56%)時,晶格畸變大增,合金的長程有序可能會遭到破壞,晶粒取向趨向于短程有序化轉變,即同一(hkl)晶向樣品,在不同的小區(qū)域內具有不同的d值,d值在dhkl±Δd之間變化,Δd很小,但不是一個常數(shù)。因此在晶體各處產生的同一晶面指數(shù)的衍射角位置將出現(xiàn)偏離,最終合成一個在2θ±Δθ范圍內具有一定強度的寬化峰,從而使鍍層的組織結構介于晶態(tài)與非晶態(tài)之間,稱之為微晶或納米晶。根據(jù)Scherrer公式計算可得該Ni-W合金鍍層的晶粒尺寸約為40nm,這與文獻的研究結果基本一致。

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　　3.3鍍層的顯微硬度與膜基結合力

　　對與旋鉚頭同工藝條件下制備出的測試樣表面進行顯微硬度和鍍層與基體結合力進行了測試。結果是:Ni-W合金鍍層的顯微硬度為668·25HV0.25,鍍層與基體結合力為臨界載荷Lc>100N。由此可見Ni-W合金鍍層有較高的硬度,鍍層與基體結合良好。臨界載荷Lc大于100N即表示當刻劃儀劃針加載到最大載荷時鍍層既沒有破裂,也沒有從基體上剝離。這除了說明鍍層與基體結合良好之外,還說明鍍層強韌性高。另外據(jù)文獻可知,Ni-W合金非晶、微晶鍍層在一定的溫度下(550℃)會晶化并有Ni4W化合物的析出,硬度顯著升高。而旋鉚頭在使用過程中也會因摩擦產生一定溫度,對其上的合金鍍層起到回火作用,從而使得旋鉚頭表面“越用越硬”。

　　3.4鍍層的耐磨性

　　用檢測試樣在1Kg載荷下進行加載耐磨試驗,往復行程周次達100次后,測量磨痕寬度,結果是:Ni-W合金鍍層的磨痕寬度是0·345mm。而由文獻可知,即使是高硬度高耐磨性材料ZrN薄膜的磨痕寬度也在0·234mm-0·366mm之間,由此可見Ni-W合金鍍層的耐磨性與ZrN的耐磨性相當。這可能主要是因為近乎非晶態(tài)的Ni-W合金鍍層組織致密,鍍層中晶界、孔隙、位錯等極少,加上Ni-W合金鍍層的摩擦系數(shù)較低,從而使其耐磨性能相對較高。

　　3.5旋鉚頭的使用壽命

　　用20根已電鍍Ni-W合金鍍層旋鉚頭和20根未電鍍的旋鉚頭進行實際使用壽命試驗,結果未電鍍旋鉚頭平均壽命為15000次/支(即平均鉚接15000個不銹鋼鉚釘),因不銹鋼鉚釘鉚接端表面及旋鉚頭表面產生嚴重的劃痕劃傷,使得產品質量下降而失效。而經(jīng)電鍍Ni-W合金鍍層處理的旋鉚頭平均壽命近32000次/支,不銹鋼鉚釘鉚接端表面及旋鉚頭表面也只是有少許輕度的劃痕劃傷,按照廠家對產品(門窗鉚接)的質量要求,旋鉚頭還能繼續(xù)使用?？梢娊?jīng)電鍍Ni-W合金鍍層處理的旋鉚頭比未經(jīng)鍍層處理的旋鉚頭的使用壽命提高了兩倍多。

　　4結語

　　Cr12旋鉚頭經(jīng)電鍍Ni-W合金鍍層處理后,使用壽命可比未鍍層旋鉚頭提高兩倍多,除可降低旋鉚頭的使用成本外,還可大大提高被鉚產品的鉚接質量,有利于產品出口。

　　控制好電鍍工藝可以在Cr12旋鉚頭上制備出微晶結構(介于晶態(tài)與非晶態(tài)結構)的Ni-W合金鍍層,這種鍍層具有較高的顯微硬度、良好的結合力以及優(yōu)良的耐磨性能。

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