Ni-P-PTFE復合鍍膜摩擦磨損性能的研究

吳 迪

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

Ni-P-PTFE復合鍍膜摩擦磨損性能的研究

吳 迪

(長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

本文采用化學復合鍍工藝在鈦合金基體上共沉積Ni-P-PTFE復合鍍膜，并和傳統的Ni-P鍍層進行了比對，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。實驗結果表明，化學鍍Ni-P鍍層和化學復合鍍Ni-P-PTFE鍍膜都具有良好的耐磨和減摩性能，其中Ni-P-PTFE復合鍍膜的效果更為明顯，可將鈦合金表面的摩擦系數降至0.13左右。

化學復合鍍；鈦合金；Ni-P-PTFE復合鍍膜；耐磨

鈦合金具有比強度高、熱強性好、耐腐蝕等優點，已成為航空、航天、火箭、導彈、艦艇及能源化工等國防和民用工業部門的重要結構材料，發展前景十分廣闊，但鈦合金耐磨性能差，對黏著磨損和微動磨損非常敏感，這些問題使鈦及其合金的應用受到了限制，因此也成為鈦合金材料研究領域的熱點之一[1-2]。

化學鍍Ni-P鍍層具有優異的耐蝕性、耐磨性、可焊性以及良好的結合強度[3-4]，為了進一步提高Ni-P鍍層的耐磨減摩性能，可在傳統的鍍液中加入潤滑粒子，如聚四氟乙烯(PTFE)、MoS2或石墨等與Ni-P鍍層共沉積，從而產生良好的自潤滑效果，其中PTFE因具有良好的化學穩定性、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而受到重視，所制備的復合鍍層已成功地應用于許多行業[5-7]。

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

1 實驗材料與方法

1.1 實驗材料與工藝流程

實驗材料：采用鈦合金TC4(Ti6Al4V)為基體材料，規格：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 →化學鍍鎳 →化學復合鍍。

1.2 鍍液組成與工藝條件

表1 化學鍍鎳工藝和Ni-P-PTFE化學復合鍍工藝

PTFE屬于高疏水性物質，要獲得復合鍍膜，必須與相關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，其具有良好的化學穩定性和熱穩定性。由于陽離子表面活性劑在PTFE粒子表面強烈吸附，使PTFE的電動電勢變正[8-9]，而鍍件表面帶負電荷，由于異種電荷相互吸引，故PTFE微粒很容易鍍到鍍件上去，從而實現了與Ni-P共沉積。PTFE粒子與Ni-P合金共沉積是形成復合鍍膜的關鍵，必須經過吸附-鑲嵌-包埋三個階段，如圖1所示。

圖1 復合鍍膜的結構

2 結果與分析

2.1 鍍膜的表面形貌

TC4鈦合金經前處理及化學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；經化學復合鍍之后，在其表面形成Ni-P-PTFE復合鍍膜，該鍍膜呈暗灰色，臘光表面。

圖2為SEM下觀測到的Ni-P合金鍍層的微觀形貌，可見化學鍍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中逐漸形成的。這些Ni-P合金沉積的胞狀物逐漸長大彼此連在一起形成鍍層。Ni-P-PTFE復合鍍膜的微觀形貌如圖3所示。Ni-P-PTFE復合鍍膜中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，顆粒連續分布，非常均勻。

圖2 化學鍍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機進行試驗。在相同的實驗條件下，分析了鈦合金基體、Ni-P鍍層和Ni-P-PTFE復合鍍膜的摩擦系數隨摩擦時間的變化情況以及此過程中磨損量的情況。

摩擦系數隨摩擦時間的變化情況如圖4所示，摩擦試驗條件為室溫下、載荷50N、轉速50r·min-1。TC4鈦合金基體的摩擦系數較高大約在0.5和0.6之間，Ni-P鍍層的摩擦系數較TC4鈦合金基體有所下降，大約在0.37左右，而Ni-P-PTFE復合鍍膜摩擦系數明顯變小，當PTFE含量為 26.4v%時，Ni-P-PTFE鍍膜的摩擦系數下降至0.13附近。

圖4 鈦合金基體、Ni-P鍍層和Ni-P-PTEE復合鍍膜在磨損過程中的摩擦系數變化

圖5為鈦合金基體、Ni-P鍍層和Ni-P-PTFE復合鍍膜在50N、50r·min-1磨損條件，10min內的磨損量測試結果。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；復合鍍膜的磨損量比Ni-P 鍍膜的磨損量更小。由此可知，相對于Ni-P 鍍層，Ni-P-PTFE復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復合鍍膜在磨損過程中的磨損量

以上摩擦磨損試驗結果表明，經化學鍍得到的Ni-P鍍層和Ni-P-PTFE復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，Ni-P-PTFE的復合鍍膜更為明顯。這是因為PTFE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了大部分載荷，而嵌入的PTFE粒子則起減摩潤滑作用，復合鍍膜中軟質點的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薄膜，這層薄膜具有良好的自潤滑性[10]，能夠減小鍍膜的摩擦因數，提高鍍膜的耐磨性。

3 結論

(1)經過除油、酸洗、活化、閃鍍、化學鍍鎳、化學復合鍍等工藝，在TC4鈦合金表面成功制得具有耐磨減摩效果的自潤滑膜(復合鍍膜)。鍍膜表面呈暗灰色，臘光表面，結合緊密，無孔隙缺陷。

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

[1]張喜燕,趙永慶,白晨光.鈦合金及應用[M].北京:化學工業出版社,2005.

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[5]Pietsch Karl-Heinz.Dispersion coatings with PTFE[J].Products Finishing,1999,63(2):34-39.

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[7]仵亞婷,劉磊,高加強,等.自潤滑Ni-P-PTFE化學復合鍍工藝及鍍層性能[J].上海交通大學學報,2005,39(2):206-210.

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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，吉林長春人，長春師范大學工程學院助教，碩士，從事金屬材料研究。

TG174

A

2095-7602(2014)04-0025-04