D01:10.13374/i.issn1001-053x.2002.02.019 第24卷第2期 北京科技大学学报 VoL.24 No.2 2002年4月 Journal of University of Science and Technology Beijing Apr.2002 化学镀N-P表层合金化烧结钢的显微组织 果世驹周兴 白英龙 北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要为了获得烧结钢的致密表面层以改善零件的疲劳性能和耐腐蚀性，研究一种先对烧 结铁压坯化学处理而后烧结的技术并进行了试验.试验中选择了高（仁7.0gcm),中(6.66.7 gcm),低(6.2~6.4gcm')3种不同密度的压坯施镀.试验发现中密度烧结铁通过自催化镍-磷 化学镀和强化烧结可获得致密的合金化表层显微组织.用SEM/EDS分析了烧结样品表层元素 成分及分布形貌，发现镍元素由试样表面向内呈均匀梯度分布，在高密度低孔隙度区扩散距离 可达200μm以上，在较低密度高孔隙度区集中分布于孔洞表面附近；而磷元素除使基体孔洞球 化外，还以F:P形式偏聚于铁基体中.这样的显微组织有可能改善零件的疲劳性能和耐腐蚀性， 关键词化学镀镍；强化烧结：致密化；粉末冶金 分类号T℉125.12 粉末冶金法生产的烧结钢及烧结铁零件的 具有很强的微孔施镀能力. 密度低于致密钢材的密度(7.8g·cm3),其内部 存在着数量不等的孔洞.例如：密度为6.8gcm3 1试验 烧结铁制品，总孔隙度大致为13%，其中连通孔 -100目还原铁粉（碳质量分数为0.08%）在 隙度为9%，封闭孔隙度为4%.就是90年代发 500,600,700MPa下的室温压制成10×3mm的 展的密度为7.2%~7.4gcm的高密度温压烧结 压坯，混粉时加人0.75%的硬脂酸锌 钢零件，其内部仍然存在着5%一7%的孔洞.这 压制生坯经10%的盐酸活化后放入镀液， 些孔洞降低了材料的力学性能，特别是近表层 化学镀的主盐为硫酸镍或氯化镍，还原剂为次 孔洞的存在，易于在拉伸一压缩交变应力状态 磷酸钠，配合剂为羟基乙酸或乳酸，缓冲剂和促 下萌生初始裂纹而显著降低粉末烧结钢零件的 进剂分别在乙二酸钠、丁二酸、柠檬酸三钠中选 疲劳性能，因此限制了零件的使用范围. 取.pH值在45之间，施镀温度88~90℃，时间 为了消除这些孔洞，国内外发展了两大类 为3-4h. 致密化技术：体致密化技术和选择性致密化技 镀层初始状态为非晶Ni-P合金.在加热过 术因.体致密化技术包括热锻、温压、复压复烧和 程中可能会形成NiP,其熔点为1170℃左右.为 整体活化烧结和液相烧结及熔渗技术， 了保证在表层有瞬时液相烧结状态出现，烧结 本研究试图在通常的压坯成形后，施以表 温度应高于NiP的熔点，选定为1180℃，时间 层或连通孔洞表面的合金浸镀，以保证在而后 为2h,保护气氛为分解氨.烧结后样品用浮水 的活化烧结、液相烧结的高密度烧结过程中形 法测定其密度，用AMARYJ-1000B型扫描电镜 成表层合金化和致密化，以获得高密度和高性 (SEM)观察了显微组织，镀层成分用TN-5400 能表层，从而提高材料和零件的力学性能.本研 型X射线能谱仪测定，扩散区的元素分布与压 究采用化学镀Ni-P(镍-磷)合金，化学镀Ni-P 坯密度之间的关系用非线性回归法给出. 合金是一种在不加外电流的情况下，利用还原 剂在活化零件表面上自催化还原沉积得到Ni- 2结果与讨论 P镀层的方法.该方法不受零件形状的限制， 2.1致密层与扩散层 收稿日期200103-15果世驹男，55岁，教授 图1分别是低密度、中密度和高密度压坯， *国家自然科学基金资助课题QNo) 经化学镀和烧结后样品横断面抛光表面的SEM第 2 4 卷 第 2 期 2 0 02 年 4 月 北 京 科 技 大 学 学 报 J o u扭 a l o f U n 扮 e r s iyt fo Sic e n e e a n d eT e h n lo yg B e ji i n g V b l . 2 4 N 0 . 2 A P r. 2 0 02 化学镀 N i - P 表层合金化烧结钢 的显微组织 果世驹 周 兴 白英龙 北京科技大学材料科学与工程学院 , 北京 10 0 0 83 摘 要 为 了获 得烧结 钢 的致 密表 面层 以 改善零 件的疲 劳性 能和耐腐蚀性 ,研 究一 种先对 烧 结 铁压坯 化学处 理而 后烧结的技术 并进行 了试验 . 试验 中选择 了高 >( .7 0 ’g c m 一 勺 , 中 .(6 6一 .6 7 ’g c m 一 3 ) ,低 .(6 2巧.4 ’g c m 一 , )3 种 不 同密度的压 坯施镀 . 试验发 现 中密度烧 结铁通 过 自催化镍一磷 化 学镀 和强化烧 结可 获得致 密的合金 化表层 显微 组织 . 用 S E M /E D S 分析 了烧结 样品 表层元 素 成 分及分 布形貌 , 发现镍元 素由试样 表 面向 内呈 均匀梯 度分 布 ,在 高密度低 孔 隙度 区扩散距 离 可 达 2 0 脚 以上 ,在较低 密度高孔 隙度 区集 中分布于孔洞 表面附近 ; 而磷元 素除使基 体孔洞球 化 外 , 还 以 eF Z P 形 式偏聚 于铁基 体中 . 这样的显微 组织有可能 改善零件 的疲 劳性能和耐腐蚀性 . 关键词 化学镀 镍 ; 强 化烧结 ; 致密化 ; 粉末 冶金 分 类号 T F 12 5 . 1 + 2 粉末冶金法 生产 的烧结钢及 烧结铁零件 的 密度低 于致密钢材 的密度 ( 7 . 8 9 · c m 一 , ) , 其 内部 存在着数量不等 的孔洞 . 例如 : 密度为 .6 8 ’g c m 一 , 烧结铁制品 , 总孔隙度大致为 13 % , 其 中连通孔 隙度 为 9% , 封闭孔隙度为 4 % . 就是 90 年代发 展 的密度为 7 . 2 % 一 7 . 4 9 · c m 一 , 的高密度温压烧结 钢零件 , 其 内部仍然存在着 5% 一7 % 的孔洞 . 这 些孔洞降低 了材料 的力学性能 , 特别是近 表层 孔洞 的存在 , 易 于在拉伸一压缩交 变应力状 态 下 萌生初始裂纹而显著 降低粉末 烧结钢零件的 疲劳性能 ` l,2] , 因 此限制了 零件的使 用 范围 . 为了 消除这些孔洞 , 国 内外发展 了两 大类 致密化技术 : 体致密化技术和 选择性致 密化技 术 `31 . 体致密化技术包括热锻 、 温压 、 复压复烧和 整体活化烧结和 液相烧结及 熔渗技术 . 本研究试 图在通 常的压坯成形后 , 施 以表 层或连通 孔洞 表面 的 合金浸镀 , 以保证在 而后 的活化烧结 、 液相烧结 的高密度烧结过程 中形 成表层合 金化和 致密化 , 以获得高密度和 高性 能表层 , 从而提高材料和零件的力学性能 . 本研 究采用化学镀 N i一 ( 镍一磷 )合金 . 化学镀 iN -P 合金是 一种 在不加外 电流的情 况下 , 利用还 原 剂在 活 化零件表 面上 自催 化还 原沉 积得 到 iN - P 镀层 的方法 `4 ] . 该方法不 受零件形状 的限制 , 收稿 日期 2 0 1一3 一 15 果世驹 男 , 5 岁 , 教 授 * 国家 自然科 学基金资助课题困 。 〕 具有很强 的微孔施镀能力 . 1 试验 一 10 0 目还原铁粉 (碳质量分数 为 .0 08 % )在 5 0 0 , 6 0 0 , 7 0 0 M Pa 下 的室 温压制成 中l o x 3 m m 的 压坯 , 混粉时加人 .0 75 % 的硬脂 酸锌 . 压 制生坯经 10 % 的盐 酸活化后放 人镀液 , 化 学镀的主 盐为硫酸镍或氯化镍 , 还 原剂为次 磷 酸钠 , 配合剂为经基乙 酸或乳酸 , 缓 冲剂和 促 进 剂分别在乙 二酸钠 、 丁 二酸 、 柠檬 酸三 钠 中选 取 . p H 值在 4一 5 之 间 , 施镀温 度 8 8一90 ℃ , 时间 为 3碑 .h 镀层初始状态 为非 晶 N i es P 合金 . 在加热过 程 中可 能会形成 iN 尹 , 其熔点为 1 170 ℃ 左右 . 为 了保证在表层有 瞬时液相烧结状态 出现 , 烧结 温度应高 于 N i 3 P 的熔点 , 选 定为 1 1 80 ℃ , 时间 为 Z h , 保护气氛 为分解 氨 . 烧结后 样 品用 浮水 法测定其 密度 , 用 A M A R Y J一 10 0 B 型扫描 电镜 ( S E M ) 观察 了 显微 组织 , 镀层 成分用 T N 一 5 4 0 型 X 射线 能谱 仪测定 , 扩散 区 的元 素分 布与压 坯密度之 间 的关 系用非 线性 回归法给 出 . 2 结果与讨论 2 . 1 致密层 与扩散层 图 1 分别是低密度 、 中密度 和 高密度压坯 , 经化学镀和 烧结后样 品横断面抛光表面 的 S E M DOI: 10. 13374 /j . issn1001 -053x. 2002. 02. 019