鈦合金Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍工藝研究

吳 迪，陳 良，姜凱鑫

（長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

鈦合金Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍工藝研究

吳 迪，陳 良，姜凱鑫

（長春師范大學(xué)工程學(xué)院，吉林長春 130032)

在傳統(tǒng)鍍液中添加軟質(zhì)微粒PTFE和硬質(zhì)微粒SiC，使兩種微粒充分混合分散在鍍液中，施鍍時發(fā)生Ni-P-PTFESiC共沉積，在鈦合金表面形成Ni-P-PTFE-SiC四元復(fù)合鍍層。并與Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層進(jìn)行了比對，分析了復(fù)合鍍層微觀形貌的變化情況及PTFE微粒和SiC微粒的加入對其摩擦磨損性能的影響。結(jié)果表明，Ni-PPTFE-SiC復(fù)合鍍層具有較高的硬度和良好的耐磨減摩性能。

鈦合金；Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層；硬度；耐磨

1 前言

鈦合金具有良好的耐蝕性、比強度和熱穩(wěn)定性等優(yōu)點，已成為航空、航天及能源化工等國防和民用工業(yè)部門的重要結(jié)構(gòu)材料。但鈦合金耐磨性能差，表面易擦傷和咬死，使鈦及其合金的應(yīng)用受到了限制[1-2]。在鈦合金表面進(jìn)行適宜的化學(xué)鍍處理后可改善其使用性能，擴大其應(yīng)用領(lǐng)域。但鈦合金屬于難鍍金屬，其表面處于鈍化狀態(tài)，施鍍后基體和鍍層間結(jié)合力的強弱取決于前處理工藝條件。

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)的鍍液中加入潤滑粒子和高硬度粒子，如PTFE、MoS2或石墨等與Ni-P鍍層共沉積，從而產(chǎn)生良好的自潤滑效果，其中PTFE因具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性及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]。而SiC（硬質(zhì)顆粒）的加入則可提高材料表面的硬度，從而提高其耐磨性能。

本試驗以TC4鈦合金為基體，在其表面進(jìn)行化學(xué)復(fù)合鍍Ni-P-PTFE-SiC工藝研究，獲得具有自潤滑性能的耐磨復(fù)合鍍層，使TC4鈦合金的摩擦系數(shù)降低，耐磨性能提高，從而延長鈦合金的使用壽命，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。

2 實驗方法

2.1 實驗材料與工藝流程

試樣采用TC4（Ti6Al4V）鈦合金，尺寸為40mm×20mm×1mm，SiC顆粒（粒徑為2～4μm），PTFE乳液（粒徑為0.01～0.1μm）。

工藝流程：打磨→除油→超聲清洗→酸洗活化→閃鍍底層鎳→化學(xué)復(fù)合鍍（Ni-P-PTFE-SiC）

活化：進(jìn)一步除去鈦合金表面的鈍化層（氧化膜），使鈦合金表面形成一層氫化鈦的膜，起到保護(hù)活性鈦并利于其他金屬的沉積的作用。

閃鍍底層鎳：增強鈦合金基體與鍍層間的結(jié)合強度，使鈦合金能順利進(jìn)行后續(xù)化學(xué)鍍復(fù)合鍍工藝。因鈦合金屬于難鍍金屬，預(yù)鍍一層鎳后有利于進(jìn)行后續(xù)的化學(xué)復(fù)合鍍工藝[8]。

2.2 鍍液組成與工藝條件

表1 鍍液組成及工藝條件

PTFE是一種化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定且摩擦系數(shù)很低的一種固體潤滑劑，將PTFE與Ni-P鍍層相結(jié)合，可得到具有自潤滑效果的Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層，使零件表面的摩擦系數(shù)大大降低。SiC是一種硬度高、耐磨性好的非金屬材料，這種物質(zhì)與Ni-P鍍層相結(jié)合，可制備出具有耐磨性能的Ni-P-SiC復(fù)合鍍層，延長了零件的使用壽命。

本試驗在傳統(tǒng)鍍液中同時添加PTFE乳液和SiC微粒，在鈦合金表面形成Ni-P-PTFE-SiC四元復(fù)合鍍層，提高其耐磨性能。施鍍過程中PTFE微粒、SiC微粒與Ni-P合金發(fā)生共沉積現(xiàn)象，經(jīng)過吸附、鑲嵌、包埋三個階段，如圖1所示。

圖1 Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的剖面結(jié)構(gòu)

3 復(fù)合鍍層形貌與性能分析

3.1 鍍層的表面形貌

Ni-P合金鍍層表面呈銀灰色，有光澤；Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層呈暗灰色，臘光表面；Ni-P-SiC復(fù)合鍍層呈深灰色，；Ni-PPTFE-SiC復(fù)合鍍層表面平整光滑，呈深灰色。

圖2為SEM下觀測到的四種鍍層的微觀形貌，（a）為Ni-P合金鍍層的微觀形貌，表面呈胞狀突起。（b）為Ni-PPTFE復(fù)合鍍層的微觀形貌，復(fù)合鍍層中PTFE以黑色顆粒狀分布在Ni-P合金鍍層的表面，顆粒分布均勻、連續(xù)。（c）為Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的微觀形貌，其中SiC 以灰白色微粒形式存在。（d）為Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的微觀形貌，灰白色微粒（SiC）和黑色微粒（PTFE）同時存在，分布較連續(xù)、均勻。

圖2 四種鍍層的微觀形貌

3.2 鍍層的硬度分析

采用上海尚材試驗機有限公司HR-150A型洛氏硬度計對試樣進(jìn)行硬度測試。在室溫下即熱處理之前，對各鍍層進(jìn)行硬度測試；然后分別進(jìn)行400℃下的熱處理，再測試各鍍層的硬度。硬度測試結(jié)果如表2所示。

表2 不同鍍層的硬度值（HRC）

由實驗數(shù)據(jù)可知，熱處理前，Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層硬度最小，而Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的硬度最大，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的硬度介于Ni-P鍍層和Ni-P-SiC復(fù)合鍍層之間。熱處理后，鍍層硬度均有不同程度增加，其中Ni-P-SiC復(fù)合鍍層的硬度明顯提高，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的硬度的升高也較為明顯。

3.3 鍍層的摩擦磨損性能

采用MM-W1A立式萬能摩擦磨損試驗機進(jìn)行摩擦磨損實驗。在相同的實驗條件下，分析Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)隨摩擦?xí)r間的變化（見圖3）。

圖3 四種鍍層在磨損過程中的摩擦系數(shù)變化

圖3為Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層在50N、50r/min磨損條件，10min內(nèi)的摩擦系數(shù)隨時間的變化情況。Ni-P-SiC復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)較高，大約在0.6和0.8之間，且摩擦曲線的波動幅度大，說明磨損過程不平穩(wěn)，這是由于硬質(zhì)SiC微粒包埋和鑲嵌在復(fù)合鍍層中，Ni-P鍍層的摩擦系數(shù)大約在0.4左右，Ni-PPTFE復(fù)合鍍層摩擦系數(shù)下降至0.2，且摩擦系數(shù)變化幅度很小，摩擦過程非常平穩(wěn)，表明復(fù)合鍍層中的軟質(zhì)PTFE微粒起到了自潤滑減摩作用，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)約0.3，磨損過程較平穩(wěn)，復(fù)合鍍層中的軟質(zhì)PTFE微粒和硬質(zhì)SiC微粒分別起到了減摩和耐磨作用。

表3為Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層在50N、50r/min磨損條件，10min內(nèi)的磨損量測試結(jié)果。其中Ni-P鍍層的磨損量最大為0.684 mg，復(fù)合鍍層的磨損量均低于Ni-P鍍層，說明Ni-PPTFE復(fù)合鍍層、Ni-P-SiC復(fù)合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層均具有良好的減摩耐磨性能。其中Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的磨損量最小，僅為0.192mg，說明其具有更好的耐磨減摩性能，這是因為復(fù)合鍍層中彌散分布的SiC微粒作為強化相提高了鍍層的抗塑性變形能力，同時復(fù)合鍍層中PTFE微粒起到了減摩潤滑的作用，復(fù)合鍍膜中軟質(zhì)點的PTFE微粒在磨損過程中，能夠彌散在鍍膜整個表面形成薄薄的一層PTFE自潤滑層，起減摩作用，進(jìn)一步提高了復(fù)合鍍層耐磨性[9-10]。

表3 四種鍍層在磨損試驗過程中的磨損量

4 結(jié)論

1）經(jīng)過打磨、除油、超聲清洗、酸洗活化、閃鍍底層鎳等前處理工藝后進(jìn)行Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍工藝處理，在難鍍金屬TC4鈦合金表面成功制得具有耐磨減摩效果的Ni-PPTFE-SiC復(fù)合鍍層。鍍層表面平整光滑，呈暗灰色。

2）經(jīng)400℃熱處理后4種鍍層的硬度均有所提高。其中Ni-P-SiC鍍層的硬度達(dá)到69HRC，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層硬度為56HRC。

3）本實驗條件下，Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層的摩擦系數(shù)降至0.3左右，磨損量僅為0.192mg，摩擦磨損過程較平穩(wěn)，說明Ni-P-PTFE-SiC復(fù)合鍍層具有良好的耐磨減摩性能。

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Study of Electroless Ni-P-PTFE-SiC Composite Coating on Titanium Alloy

Wu Di，Chen Liang，Jiang Kai-xin

PTFE particals and SiC particals were added in traditional electroless nickel plating bath，Ni-P-PTFE-SiC composite coating was formed on the titanium alloy substrate by making PTFE particals and SiC particals evenly distributed in the coating.Compared with Ni-P plating，Ni-P-PTFE composite coating and Ni-P-SiC composite coating，the microstructure，the friction and wear properties of Ni-P-PTFE-SiC composite coating were studied.Results showed that Ni-P-PTFE-SiC composite coating has good hardness and wear resistance.

titanium alloy；Ni-P-PTFE-SiC composite coating；hardness；wear resistance

TG457.19

A

1003–6490（2017）11–0144–02

2017–09–12

長春師范大學(xué)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項目“鈦合金Ni–P–PTFE–SiC復(fù)合鍍工藝研究”（201610205124）

吳迪（1987—），女，吉林長春人，講師，碩士，主要研究方向為金屬材料表面處理。