轮毂轴承化学镀镍-金刚石复合膜的耐磨性研究

2010-07-31廖一峰贾红玲彭樟林

轴承 2010年3期

廖一峰，贾红玲, 彭樟林

(1.韶关学院物理与机电工程学院，广东韶关 512005；2.韶关东南轴承有限公司，广东韶关 512029；3. 浙江林学院工程学院，浙江临安 311300)

轮毂轴承的主要作用是承重和为轮毂的转动提供精确引导，它既承受径向载荷和轴向载荷[1]，且影响汽车行驶系统以及整车的安全性，是一个非常重要的零部件。轮毂轴承通常用GCr15制造，一般对其表面进行渗碳或离子注入以增加轴承的耐磨性和耐蚀性[2-3]。而通过对轮毂轴承表面进行化学复合镀，可以进一步提高轴承表面的耐磨性及其耐腐蚀能力。

1 轮毂轴承化学复合镀

选用韶关东南轴承有限公司生产的第一代汽车轮毂轴承单元，型号为R3464，尺寸为34 mm×64 mm×37 mm，公差等级为P0。试样的处理工艺为：碱洗→热水洗→冷水洗→15% HCl酸洗→冷水洗→10% HCl活化→化学复合镀(Ni-P-C)→热水洗→吹干→精磨。

1.1 复合镀液组成及工艺条件

镀液成分：硫酸镍27 g/L，次磷酸氢钠30 g/L，乳酸25 mL/L，硼酸5 g/L，聚乙二醇0.1 g/L，少量稳定剂。为减少影响因素，使用去离子水配制镀液。

选用山东金凯驰公司生产的10 nm金刚石复合镀液，为使纳米金刚石颗粒均匀分散在镀液中，试验之前先用超声波振荡器振动30 min，然后按0.5%的比例把纳米金刚石悬浮液加入到已配制好的镀液中，并通入洁净空气进行搅拌。

镀液温度85 ℃,pH=4.8，施镀时间为70～90 min。

1.2 镀后效果分析

1.2.1 镀层形貌分析

镀层表面及耐磨测试后的形貌用LEO-1530VP型场发射电子扫描电镜(SEM)进行观察；复合镀层表面化学成分使用扫描电镜的能谱仪(EDS)测量。由图1可知，复合镀层的表面平整光滑，组织细密，无麻点、空洞等缺陷，纳米金刚石在复合镀层中分布较为均匀，Ni-P基对纳米金刚石微粒包裹完整(图中小颗粒是镍、磷和金刚石组成的化合物)。使用扫描电镜自带的能谱仪对复合镀层的膜面及其小颗粒进行了分析，图2所示为复合镀层膜面和小颗粒的能谱图，表1为复合镀层整个膜面的成分分析。能谱分析表明，复合镀层中除了含有镍、磷外还含有金刚石及微量的铁，铁元素的存在说明在镀态下，Fe，Ni元素相互间有明显扩散。这是由于Ni，Fe元素的原子半径相近，相互间较容易形成固溶体，而P与Fe 的原子半径相差较大，P在Fe中的固溶度很低，因而不容易向Fe中扩散[4]。有资料表明镀层对微粒的捕捉是简单的几何形状锁定，或通过两者之间的机械啮合作用[5-7]。由图2可以说明，Fe进入镀层中，与Ni间是通过界面作用力相互结合的。

图1 复合镀表面形貌

图2 复合膜及小颗粒的EDS

表1 复合膜的成分 %

1.2.2 硬度分析

使用HXZ-1000显微硬度计测试了施镀前、后的硬度。对各样品取5点进行检测，综合其平均值。从结果来看，普通产品硬度值为763.2 HV0.2,镀后样品的硬度值为797.4 HV0.2,复合镀后硬度略有提高，但不明显。这主要是镀后样品未经热处理，镀层为亚稳定状态的非晶态纳米镍磷合金结构。

2 耐磨性试验

2.1 试验条件

根据《R3464纳米处理和普通产品耐久性对比试验规范》的规定，取普通品与复合镀处理后样品各4套，安装在NSQD20-60一般性耐久性及泥浆喷沙试验机上进行耐久性能试验。试验参数为：环境温度为室温，转速为1 100 r/min，试验时间为48 h，锁紧力矩为280 N·m，轴承与轴为n6配合，与座孔为S7配合。试验循环周期为40 s，表2为1个试验周期内径向力和轴向力的变化及对应加载时间。

表2 1个试验周期内轴向和径向力的变化

2.2 试验结果与分析

经过一般性连续耐久性48 h试验，由表3可知：经过复合镀后的试样抗磨性可达60 h以上，而普通的试样只能维持在50 h左右，抗磨性能前者明显好于后者。这主要是经过化学复合镀的试样的摩擦系数比普通试样要低。其原因为：纳米金刚石颗粒在化学复合镀过程中与Ni离子一同沉积在试样表面，在往复的摩擦界面间起到良好的自润滑作用，从而使摩擦系数降低[8]。

表3 试验结果

图3是汽车轮毂轴承磨损表面形貌SEM照片。由图3可以看出，未经化学复合镀的轴承表面磨损表现为黏着磨损特征，呈现相对较深的犁沟以及严重的褶皱、黏着现象，磨痕不均匀，且磨损量较大，为严重磨损。而化学复合镀轴承表面磨痕较浅，这是由于高硬度的金刚石粒子在镀层中存在，起着支撑硬化作用，使镀层硬度提高，磨损减轻。另外纳米金刚石在磨损过程中具有自润滑作用，也使镀层磨损减轻[9-10]。由此可知，均匀分布的纳米金刚石颗粒有利于提高轴承表面的硬度及抗磨性能。