Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜摩擦磨損性能的研究

吳 迪

(長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜摩擦磨損性能的研究

吳 迪

(長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長(zhǎng)春 130032)

本文采用化學(xué)復(fù)合鍍工藝在鈦合金基體上共沉積Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜，并和傳統(tǒng)的Ni-P鍍層進(jìn)行了比對(duì)，研究這兩種鍍層及鈦合金基體在相同條件下的摩擦磨損性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，化學(xué)鍍Ni-P鍍層和化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-PTFE鍍膜都具有良好的耐磨和減摩性能，其中Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜的效果更為明顯，可將鈦合金表面的摩擦系數(shù)降至0.13左右。

化學(xué)復(fù)合鍍；鈦合金；Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜；耐磨

鈦合金具有比強(qiáng)度高、熱強(qiáng)性好、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，已成為航空、航天、火箭、導(dǎo)彈、艦艇及能源化工等國(guó)防和民用工業(yè)部門的重要結(jié)構(gòu)材料，發(fā)展前景十分廣闊，但鈦合金耐磨性能差，對(duì)黏著磨損和微動(dòng)磨損非常敏感，這些問題使鈦及其合金的應(yīng)用受到了限制，因此也成為鈦合金材料研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一[1-2]。

化學(xué)鍍Ni-P鍍層具有優(yōu)異的耐蝕性、耐磨性、可焊性以及良好的結(jié)合強(qiáng)度[3-4]，為了進(jìn)一步提高Ni-P鍍層的耐磨減摩性能，可在傳統(tǒng)的鍍液中加入潤(rùn)滑粒子，如聚四氟乙烯(PTFE)、MoS2或石墨等與Ni-P鍍層共沉積，從而產(chǎn)生良好的自潤(rùn)滑效果，其中PTFE因具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性、耐高低溫性能，尤其是該粒子比其他聚合物具有更低的摩擦系數(shù)而受到重視，所制備的復(fù)合鍍層已成功地應(yīng)用于許多行業(yè)[5-7]。

本文采用化學(xué)復(fù)合鍍工藝在鈦合金基體上制備Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜，分析了其形貌特征并討論了PTFE對(duì)復(fù)合鍍膜的摩擦磨損性能的積極影響。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料與工藝流程

實(shí)驗(yàn)材料：采用鈦合金TC4(Ti6Al4V)為基體材料，規(guī)格：40mm×20mm×1mm。

工藝流程：試樣磨制 →表面除油 →超聲清洗 →酸洗活化 →閃鍍鎳 →化學(xué)鍍鎳 →化學(xué)復(fù)合鍍。

1.2 鍍液組成與工藝條件

表1 化學(xué)鍍鎳工藝和Ni-P-PTFE化學(xué)復(fù)合鍍工藝

PTFE屬于高疏水性物質(zhì)，要獲得復(fù)合鍍膜，必須與相關(guān)的表面活性劑配合使用。本文采用中FC-4型氟碳表面活性劑，其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性。由于陽離子表面活性劑在PTFE粒子表面強(qiáng)烈吸附，使PTFE的電動(dòng)電勢(shì)變正[8-9]，而鍍件表面帶負(fù)電荷，由于異種電荷相互吸引，故PTFE微粒很容易鍍到鍍件上去，從而實(shí)現(xiàn)了與Ni-P共沉積。PTFE粒子與Ni-P合金共沉積是形成復(fù)合鍍膜的關(guān)鍵，必須經(jīng)過吸附-鑲嵌-包埋三個(gè)階段，如圖1所示。

圖1 復(fù)合鍍膜的結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與分析

2.1 鍍膜的表面形貌

TC4鈦合金經(jīng)前處理及化學(xué)鍍鎳后在其表面形成Ni-P合金鍍層，該鍍層表面呈銀灰色，有光澤；經(jīng)化學(xué)復(fù)合鍍之后，在其表面形成Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜，該鍍膜呈暗灰色，臘光表面。

圖2為SEM下觀測(cè)到的Ni-P合金鍍層的微觀形貌，可見化學(xué)鍍Ni-P合金鍍層呈胞狀突起表面形貌。胞狀物是由試片表面活性化中心在沉積反應(yīng)中逐漸形成的。這些Ni-P合金沉積的胞狀物逐漸長(zhǎng)大彼此連在一起形成鍍層。Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜的微觀形貌如圖3所示。Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜中PTFE以黑色顆粒狀分布在Ni-P合金鍍層的表面，粒徑為納米級(jí)，顆粒連續(xù)分布，非常均勻。

圖2 化學(xué)鍍Ni-P鍍層的微觀形貌

圖3 Ni-P-PTFE鍍膜的微觀形貌(黑色斑點(diǎn)即為PTFE粒子)

2.2 鍍膜的摩擦磨損性能

采用MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)。在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，分析了鈦合金基體、Ni-P鍍層和Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化情況以及此過程中磨損量的情況。

摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化情況如圖4所示，摩擦試驗(yàn)條件為室溫下、載荷50N、轉(zhuǎn)速50r·min-1。TC4鈦合金基體的摩擦系數(shù)較高大約在0.5和0.6之間，Ni-P鍍層的摩擦系數(shù)較TC4鈦合金基體有所下降，大約在0.37左右，而Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜摩擦系數(shù)明顯變小，當(dāng)PTFE含量為 26.4v%時(shí)，Ni-P-PTFE鍍膜的摩擦系數(shù)下降至0.13附近。

圖4 鈦合金基體、Ni-P鍍層和Ni-P-PTEE復(fù)合鍍膜在磨損過程中的摩擦系數(shù)變化

圖5為鈦合金基體、Ni-P鍍層和Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜在50N、50r·min-1磨損條件，10min內(nèi)的磨損量測(cè)試結(jié)果。TC4鈦合金的磨損量最大為0.79mg，而Ni-P鍍層的磨損量有所下降；復(fù)合鍍膜的磨損量比Ni-P 鍍膜的磨損量更小。由此可知，相對(duì)于Ni-P 鍍層，Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜具有更好的耐磨減摩性能。

圖5 鈦合金基體、Ni-P鍍層和Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜在磨損過程中的磨損量

以上摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)化學(xué)鍍得到的Ni-P鍍層和Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜都可以有效地改善鈦合金的耐磨性能并降低其摩擦系數(shù)，Ni-P-PTFE的復(fù)合鍍膜更為明顯。這是因?yàn)镻TFE粒子均勻鑲嵌在鍍膜中，在摩擦過程中，Ni-P合金起支撐作用承擔(dān)了大部分載荷，而嵌入的PTFE粒子則起減摩潤(rùn)滑作用，復(fù)合鍍膜中軟質(zhì)點(diǎn)的PTFE微粒在磨損過程中，能夠彌散在鍍膜整個(gè)表面形成薄薄的一層PTFE薄膜，這層薄膜具有良好的自潤(rùn)滑性[10]，能夠減小鍍膜的摩擦因數(shù)，提高鍍膜的耐磨性。

3 結(jié)論

(1)經(jīng)過除油、酸洗、活化、閃鍍、化學(xué)鍍鎳、化學(xué)復(fù)合鍍等工藝，在TC4鈦合金表面成功制得具有耐磨減摩效果的自潤(rùn)滑膜(復(fù)合鍍膜)。鍍膜表面呈暗灰色，臘光表面，結(jié)合緊密，無孔隙缺陷。

(2)Ni-P-PTFE復(fù)合鍍膜都能大幅度降低TC4鈦合金摩擦系數(shù)，提高其耐磨性能，而且隨著復(fù)合鍍膜中PTFE含量的增加，其摩擦系數(shù)減小，摩擦磨損過程趨于平穩(wěn)；當(dāng)PTFE含量為26.4v%時(shí)，復(fù)合鍍膜的摩擦系數(shù)下降至0.13左右。

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A Study of the Tribological Wear Properties of Electroless Ni-P-PTFE Composite Coatings

WU Di

(College of Mechanical Engineering, Changchun Normal University, Changchun Jilin 130032, China)

In this study, electroless Ni-P-PTFE composite coatings on titanium alloy were compared to traditional Ni-P coating. The friction and wear properties of the both coating samples and titanium alloy were analyzed in the same condition. The results showed that both co-deposition of Ni-P and PTFE have a good wear resistance and antifriction properties. Co-deposition PTFE can obviously decrease the friction coefficient of the titanium alloy which can be reduced to 0.13.

Electroless composite plating; Titanium Alloy; Electroless Ni-P-PTFE composite coatings; Wear resistance

2014-04-06

吳 迪(1987- )，女，吉林長(zhǎng)春人，長(zhǎng)春師范大學(xué)工程學(xué)院助教，碩士，從事金屬材料研究。

TG174

A

2095-7602(2014)04-0025-04