D0I:10.13374/j.issn1001053x.2000.03.011 第22卷第3期 北京科技大学学报 Vol.22 No.3 2000年6月 Journal of University of Science and Technology Beijing June 2000 化学镀N1-P合金的化学腐蚀磨损机理 赵国鹏》吴荫顺) 顾正秋” 朱日彰) 1)鞍山钢铁学院化学工程研究中心，鞍山1140022)北京科技大学材料科学与工程学院，北京100083 摘要从实验和理论两方面研究了化学镀N-P合金在无润滑磨损条件下的化学腐蚀磨损 机理，探讨了化学镀N-P合金作为钻杆耐腐蚀磨损功能性镀层的可行性.结果表明：化学镀i- P合金在无润滑磨损条件下的磨损机理主要为剥层磨损，并伴随少量磨粒磨损.在无润滑磨损 状态下，化学镀Ni-P合金不适合作为G105钢抵抗化学腐蚀磨损的功能性镀层. 关键词化学镀：Ni-P合金：无润滑磨损：剥层磨枴 分类号TG172.2 化学腐蚀磨损主要是指材料在空气中的无 不圆度小于0.05mm.摩擦副外的腐蚀介质为 润滑磨损，也包括在N,中的无润滑磨损.与特 空气或工业纯氮气. 殊液态介质中的腐蚀磨损相比，也可被看成一 1.2腐蚀磨损试验 种干摩擦磨损.由于化学镀Ni-P合金具有优异 腐蚀磨损试验是在自行研制的腐蚀磨损试 的耐蚀性和较高的硬度，作为耐蚀、耐磨功能性 验机上进行的，摩擦方式为销一环式.环材料为 镀层，已经在工业上得到了一定的应用.石油 试样，销材料为SigN陶瓷球. 钻杆在钻井过程中，经历了化学腐蚀磨损和电 试样经腐蚀磨损一定时间后（一般为2h), 化学腐蚀磨损2种状态，在钻井初期，钻杆处于 再经蒸馏水清洗，乙醇擦净，放置干燥器内 无润滑的化学腐蚀磨损状态，摩擦副外的环境 24h,准确称重.腐蚀磨损速率的单位为： 介质主要为空气；随着钻杆的不断深入，介质中 g(m2h).每次试验后，更换SiN陶瓷球摩擦 的氧含量不断降低，钻杆处于缺氧状态下的 面，实验结果为2次以上数据的平均值. 无润滑磨损，本文在自行研制的腐蚀磨损试验 用Dmax-RB12KWX射线旋转阳极衍射仪 机上，研究了化学镀N-P合金作为钻杆耐腐 进行结构分析；用STER-EDSCAN.360扫描电镜 蚀磨损功能性镀层的可行性，重点研究了其磨 (SEM)进行表面形貌分析；用OLYMPUS CH-2 损机理， 双光铁谱显微镜进行磨粒分析， 1实验方法 2结果与讨论 1.1材料和腐蚀介质 2.1相对耐磨性 实验采用的化学镀Ni-P合金为自行制备 相对耐磨性的定义为： 的.基体材料为G105钢.镀层厚度大于50um, E=8以胖/B标准 (1) 镀层含P量（质量分数）8.5%，为非晶态结构.表 式中，ε为耐磨性，与磨损体积V成反比. 面维氏硬度560kgmm2,结合力良好，孔隙率为 为了考察化学镀Ni-P合金的耐磨性并与 零，表面微凸体高度分布的标准偏差（σ）为3.03. G105钢相比较，将ec1s作为E标准，8p作为8试怀. 基体G105钢试样直接取自进口G105石油 实验结果如表1所示， 钻杆管壁，加工过程中避免热处理. 表1不同载荷下的相对耐磨性 采用SiN陶瓷球(6mm)作为摩擦副对磨 Table 1 Relative anti-wear abilities at different loads 材料，抗弯强度700Pa,抗压强度3200MPa, PN 0.983.04 5.059.8514.72 1999-11-12收稿赵国鹏男，41岁，博士 6w/ec1s0.42 0.61 1.10 1.28 1.26 *高等学校博士学科点专项科研基金资助项目No.P300812)
第 卷 第 期 侧洲 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 】 化学镀 一 合金 的化学腐蚀磨损机理 赵国鹏 ” 吴 荫顺 ” 顾正秋 ” 朱日彰 ” 鞍 山钢铁学 院化学工程研究中心 ， 鞍 山 北京科技大学材料科学与工程学院 ， 北京 摘 要 从实验 和 理论 两 方面研 究了化学镀 一 合 金 在无润滑磨损条件下 的化学腐蚀磨损 机理 ，探 讨 了化 学镀 合金 作 为钻 杆耐腐蚀 磨损功 能性镀层 的可行性 结果表 明 化 学镀 一 合 金在无润滑 磨损 条件 下 的磨损机理 主 要 为剥层 磨损 ， 并伴 随少量磨粒磨损 在无润滑 磨损 状态 下 ， 化 学镀 一 合 金 不 适 合 作 为 钢 抵抗 化 学腐蚀磨 损 的功 能性镀 层 关键 词 化 学镀 合金 无润滑 磨损 剥 层 磨损 分 类号 化 学腐蚀 磨损主 要 是 指材 料在 空 气 中的无 润 滑磨损 ， 也 包 括在 中的无 润 滑 磨损 【 与特 殊 液态 介 质 中的腐蚀 磨损 相 比 ， 也 可 被 看成 一 种干 摩擦磨 损 由于 化 学 镀 一 合 金 具 有优异 的耐蚀性和 较 高的硬度 ， 作 为耐蚀 、 耐磨功 能性 镀层 ， 已 经 在工 业 上得 到 了一 定 的应 用 ‘ ， 石 油 钻杆在钻 井过程 中 ， 经 历 了化 学腐蚀磨损和 电 化学腐蚀磨损 种状态 在钻井初期 ， 钻杆处 于 无 润滑 的化 学 腐蚀磨 损 状态 ， 摩擦 副 外 的环 境 介质主 要 为空 气 随着钻杆的不 断深入 ， 介质 中 的 氧 含 量 不 断 降低 ， 钻 杆 处 于 缺 氧 状 态 下 的 无润滑磨损 本文在 自行研制 的腐蚀磨损试验 机 『上 ， 研 究 了化 学镀 一 合 金 作 为钻 杆 耐腐 蚀磨 损 功 能性 镀层 的 可 行 性 ， 重 点研 究 了其磨 损机理 不 圆度 小于 摩擦副外 的腐蚀 介质 为 空气 或 工 业 纯 氮气 腐蚀磨损试验 腐蚀磨损试 验是 在 自行研制 的腐蚀磨 损 试 验机上进行 的 ， 摩擦方式为销一环 式 环 材料 为 试 样 ， 销 材 料 为 卿 陶 瓷球 试样经 腐蚀磨损一 定 时 间后 一 般为 ， 再 经 蒸馏 水 清洗 ， 乙 醇 擦 净 ， 放 置 干 燥 器 内 ， 准 确 称 重 腐 蚀 磨 损 速 率 的 单 位 为 留耐 · 每次试验后 ， 更换 凡 陶瓷球摩擦 面 实验 结 果 为 次 以上数据 的平 均 值 用 一 射线旋转 阳极衍射仪 进行 结 构分 析 用 尸 扫 描 电镜 进行表面 形 貌分析 用 犷州 卜 双光铁谱显 微镜进行 磨粒分析 实验方法 材料和腐蚀介质 实验 采 用 的化 学 镀 一 合 金 为 自行 制备 的〔 ， 基体材料为 钢 镀层 厚度大于 娜 ， 镀 层 含 量 质 量 分 数 ， 为 非 晶态 结 构 表 面 维 氏硬度 ， ， 结 合 力 良好 ， 孔 隙率 为 零 ， 表面微 凸体 高度分布 的标准偏差 为 基 体 钢 试样 直 接 取 自进 口 石 油 钻杆管壁 ， 加 工 过程 中避 免热 处 理 采用 入 陶瓷球 杯 作 为摩擦 副对磨 材料 ， 抗 弯强 度 ， 抗压 强 度 ， 一 · 收稿 赵 国鹏 男 ， 岁 ， 博 士 高等学校博士 学 科点专 项科研基 金 资助项 目困 。 卫 结果与讨论 相对耐磨性 相 对 耐 磨性 的定 义为 ￡二 ￡试样 ‘ 标。 式中 ， 。 为耐磨性 ， 与磨损体积 成反 比 为 了考察化学镀 一 合 金 的耐磨 性 并 与 钢 相 比较 ， 将衡 作 为殊 。 ， 鲡作为 坛样 实验 结 果 如 表 所 示 表 不 同载荷下 的相对耐磨性 抽 肠柱 自 幻触 尸加 如 浏云 。 ， ， DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．2000．03．011
·232 北京科技 大学 学报 2000年第3期 由表1可见，材料的相对耐磨性与载荷有 关.低载荷下，化学镀N-P合金的耐磨性不如 G105钢，载荷大于5.05N以后，Ni-P合金的耐 磨性比G105的略好.因此，在无润滑磨损条件 下，化学镀Ni-P合金不适合作为G105钢抵抗 化学腐蚀磨损的表面改性材料。 2.2慶损因数 实验结果表明，当G105钢和化学镀NiP 合金达到稳定磨损状态时，符合Adchard倒方程： 图2化学罐N-P合金囊损表面（空气，0.8N,60r/mi) V K.P LHv (2) Fig.2 Optical photomlerograph of unlubricated wear sur- 式中，V为磨损体积，L为滑动距离，P为法向 face of Ni-P coating in air (0.98N,60 r/min) 载荷，HV为材料的布氏硬度，K为磨损因数，它 是表征给定系统磨损特性的重要参数，表明一个 接触凸点产生一个磨屑的几率，K越大，接触凸 点中产生磨屑的几率就越高，材料磨损一般也越 严重间，G105钢和化学镀Ni-P合金在空气中的 磨损因数如表2所示， 囊2G15铜及化学罐-P合金在空气中的磨摄因数 Table 2 Wear coeficlent of G105ateel and Ni-P alloy in air /x10 P/N 0.98 4.03 5.05 9.85 14.72 留3化学镀NMi-P合金鹰损表面（空气中，9.85N,60rm血） Kows 5.923.70 3.543.53 3.49 Flg.3 Optlcal photomlcrograph of anlubricated wear sur- 24.511020 6.42 6.09 6.61 face of NI-P coating in air (9.85 N,60 r/min) 由结果看出：(1)在实验范围内，化学镀Ni- P合金的K比G105的大：(2)化学镀NiP合金 的K值波动幅度较大，对照文献[6]中表可以看 出，此数值处于严酷条件下腐蚀磨损范围 23慶损机理分析 (1)摩擦表面分析.图1,2,3分别为化学镀 NP合金磨损前及不同载荷下磨损后的表面 形貌.可以看出，化学镀NP合金表现出脆性 剥落特征.由图4可看出，剥落下的碎片也将引 起摩擦表面磨粒磨损。 图4化学镀Ni-P合金摩粒磨损图（空气中， 0.98 N,60 r/min) Fig.4 Optical photomlcrograph of abraslve wear of NI-P alloy in air (0.98 N,60 r/min) (2)磨粒分析.图5,6分别为化学镀NP合 金在空气中不同载荷下无润滑磨粒磨损的双光 图谱.可以看出，化学镀Ni-P合金即使在低载 荷下也表现为脆性剥落.当载荷为985N时，嚼 粒尺寸可达25m,磨粒呈片状，表面留有磨痕. 正是这种脆性剥落：导致了化学镀N-P合金在 图1化学坡NP合金南损前表面型 Fig.1 SEM of electroleas NI-P alloy (as plated) 无润滑磨损状态下比G105钢有更大的磨损因 数和更小的摩擦因数
Vol.22 No.3 赵国别等：化学镀-P合金的化学腐蚀磨损机理 -233 (4)理论探讨.由实验结果可以看出，化学镀 N-P合金的磨粒呈长而薄的磨粒微片剥层，表 现出疲劳磨损特征，可应用NP,Sh的剥层磨损 理论进行简单探讨.NP.Suh的磨损方程为： K-H△LAC+△C P (3) 式中，K为磨损因数，H为材料硬度，△L为表 面接触长度，d为裂纹深度，△C,△C.为裂纹两 端在N次循环中的平均裂纹扩展率，P为法向载 图5化学镀NP合金癌粒的双光图请（空气中， 荷，入为徽凸体间距，：为裂纹间距，结合实验 0.98N,60rmln) 数据，可计算出G105钢及化学镀Ni-P合金的 Fig5 Double lights photomicrograph of unlbricated.wear K值分别为：Kos=42×103,KN=9.6×10-,理 debris of Ni-P alloy in air(0.98 N,60 r/min) 论计算结果与实验测定值比较吻合，这也表明， 化学镀Ni-P合金主要为剥层磨损机理， 3结论 (I)无润滑磨损下，化学镀N-P合金不宜作 为G105钢抗化学腐蚀磨损的功能性镀层. (2)化学镀Ni-P合金在无润滑磨损下的磨 损主要为剥层磨损，并伴随少量磨粒磨损， 参考文献 图6化学缓N1P合金量散的双光图请（空气中985N, 1刘家谀，材料磨损原理及其耐磨性，北京：清华大学出 60r/main) 版社，1993.198 Fig.6 Double lights photomicrograph of unlubricated. 2 Mallory G O,Hajdo J B.Electroless Plating,Fundamental wear debris of Ni-P alloy in alr(9.85 N,60 r/min) and Applications.Orlando:ARSF,1990.6 3赵国刷，曹卫文，吴荫顺，等.一种新型腐蚀磨损试验 (3)X射线衍射分析，结果表明，无润滑条 装置的研制及应用.见：中国腐蚀与防护学会编.中 件下，磨粒已转变为NP,型的金属间化合物， 国腐烛与防护学会成立15周年论文集.北京，1994.11 主要包括NiP,NiP和Ni-P.这些金属间化合物 4赵国鹏.G105铜及其化学艘N1-P合金的腐蚀磨损行 的形成，表明摩擦表面温度在573K以上网.没有 为与机理：[学位论文].北京：北京科技大学，199 发现氧化物形成，说明化学镀Ni-P合金在空气 5李建明.磨损金属学，北京：冶金工业出版杜，1990.123 6 Peterson M B.Winer W O.Wear Control Handbook.New 中耐氧化的能力是较强的，同时也表明在空气 York:ASME,1980.501 无润滑状态下，化学镀N-P合金基本不发生氧 7罗守福，陈金品，王军.化学镀镍障镀层的X射线研 化磨损 究.见：全国首届化学镶会议论文集.南京.1992.92 Chemical Corrosive Wear Mechanism of Electroless Ni-P Coating ZHAO Guopeng",WU Yinshun".GU Zhengqiu.ZHU Rizhang 1)Anshan Institute of ron&Steel Techaology,Anshan114002,China 2)Material Sciencc and Engineering School,UST Beijing Beijing100083,China ABSTRACT The chemical corrosive wear mechanism of electroless Ni-P coating under unlubricated wear was studied by test and theory and the possibility of as an anti-chemical corrosive wear coating on drill pipe was probed into.The results showed that electroless Ni-P coating appear mainly delaminate wear and lightly abrasive wear under unlubricated wear.At the condition of unlubricated wear,it is not suited to eletroless Ni-P alloy as a protective coating on drill pipe. KEY WORDS eletroless plating;Ni-P alloy;unlubricated wear;delaminate wear