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(jié)構(gòu)、顯微硬度、耐磨性能等進(jìn)行了分析和討論。結(jié)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(guān)鍵詞：旋鉚頭;電鍍;Ni-W合金鍍層

　　中圖分類號：TG174.441文獻(xiàn)標(biāo)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(yīng)用研究國內(nèi)已有了不少報(bào)道。但由于模具的使用條件和影響因素復(fù)雜多樣,使得鎳基合金鍍層在工模具上的應(yīng)用受到了很大制約,其中不銹鋼成形模具更是一個難點(diǎn)。這主要是目前國內(nèi)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(chǎn)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(bào)廢。Ni-W合金鍍層,特別是當(dāng)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(shí)際應(yīng)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(jìn)行電鍍Ni-W合金納米晶、非晶鍍層試驗(yàn),并對其使用壽命、失效形式、表面涂層組織和硬度等方面進(jìn)行了分析。

　　2試驗(yàn)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(jìn)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(diào)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(yàn)步驟:(1)配制鍍液:分別稱量所需藥品,加一定量蒸餾水?dāng)嚢柚镣耆芙?將鎢酸鈉溶液加入硫酸鎳溶液中,充分?jǐn)嚢?再加入檸檬酸溶液,充分?jǐn)嚢?然后加入氨水調(diào)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(chǎn)MVK-H3型超微負(fù)荷顯微硬度計(jì)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(chǎn)的D/MAX2200VPC型X射線衍射儀(XRD)對鍍層的晶態(tài)結(jié)構(gòu)進(jìn)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(jié)合力;用日本產(chǎn)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(fù)式刻劃磨損試驗(yàn)法,并觀測磨痕寬度。旋鉚頭在MYXM5000液壓旋鉚機(jī)上使用,用SUS304不銹鋼鉚釘對不銹鋼門(窗)進(jìn)行鉚接。

　　3試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　3.1鍍層的形貌

　　用超微負(fù)荷顯微硬度機(jī)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(jié)合呈咬合狀(以咬合狀結(jié)合的層基比平直結(jié)合的層基結(jié)合力要大)。經(jīng)能譜檢測,證實(shí)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(jié)構(gòu)

　　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(jìn)行分析,結(jié)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(qiáng)衍射峰對應(yīng)的2θ角分別為2θ1=44·62°、2θ2=51·94°、2θ3=76·14°,對應(yīng)Ni的(111)、(200)、(220)晶面;純金屬W的三條強(qiáng)衍射峰對應(yīng)的2θ角分別為2θ1=40·26°、2θ2=58·36°、2θ3=73·38°。可見Ni-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(jié)構(gòu)上是一個以Ni為溶劑、W為溶質(zhì)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(dāng)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(zhuǎn)變,即同一(hkl)晶向樣品,在不同的小區(qū)域內(nèi)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(chǎn)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(nèi)具有一定強(qiáng)度的寬化峰,從而使鍍層的組織結(jié)構(gòu)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(jì)算可得該Ni-W合金鍍層的晶粒尺寸約為40nm,這與文獻(xiàn)的研究結(jié)果基本一致。

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　　3.3鍍層的顯微硬度與膜基結(jié)合力

　　對與旋鉚頭同工藝條件下制備出的測試樣表面進(jìn)行顯微硬度和鍍層與基體結(jié)合力進(jìn)行了測試。結(jié)果是:Ni-W合金鍍層的顯微硬度為668·25HV0.25,鍍層與基體結(jié)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(jié)合良好。臨界載荷Lc大于100N即表示當(dāng)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(jié)合良好之外,還說明鍍層強(qiáng)韌性高。另外據(jù)文獻(xiàn)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(chǎn)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(jìn)行加載耐磨試驗(yàn),往復(fù)行程周次達(dá)100次后,測量磨痕寬度,結(jié)果是:Ni-W合金鍍層的磨痕寬度是0·345mm。而由文獻(xiàn)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(dāng)。這可能主要是因?yàn)榻醴蔷B(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(jìn)行實(shí)際使用壽命試驗(yàn),結(jié)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(chǎn)生嚴(yán)重的劃痕劃傷,使得產(chǎn)品質(zhì)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(chǎn)品(門窗鉚接)的質(zhì)量要求,旋鉚頭還能繼續(xù)使用。可見經(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(jié)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(chǎn)品的鉚接質(zhì)量,有利于產(chǎn)品出口。

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

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