鈦合金Ni-P-PTFE-SiC復合鍍工藝研究

吳 迪，陳 良，姜凱鑫

（長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

鈦合金Ni-P-PTFE-SiC復合鍍工藝研究

吳 迪，陳 良，姜凱鑫

（長春師范大學工程學院，吉林長春 130032)

在傳統鍍液中添加軟質微粒PTFE和硬質微粒SiC，使兩種微粒充分混合分散在鍍液中，施鍍時發生Ni-P-PTFESiC共沉積，在鈦合金表面形成Ni-P-PTFE-SiC四元復合鍍層。并與Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復合鍍層、Ni-P-SiC復合鍍層進行了比對，分析了復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。結果表明，Ni-PPTFE-SiC復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、比強度和熱穩定性等優點，已成為航空、航天及能源化工等國防和民用工業部門的重要結構材料。但鈦合金耐磨性能差，表面易擦傷和咬死，使鈦及其合金的應用受到了限制[1-2]。在鈦合金表面進行適宜的化學鍍處理后可改善其使用性能，擴大其應用領域。但鈦合金屬于難鍍金屬，其表面處于鈍化狀態，施鍍后基體和鍍層間結合力的強弱取決于前處理工藝條件。

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和高硬度粒子，如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及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]。而SiC（硬質顆粒）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，在其表面進行化學復合鍍Ni-P-PTFE-SiC工藝研究，獲得具有自潤滑性能的耐磨復合鍍層，使TC4鈦合金的摩擦系數降低，耐磨性能提高，從而延長鈦合金的使用壽命，拓展其應用領域。

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→化學復合鍍（Ni-P-PTFE-SiC）

活化：進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合強度，使鈦合金能順利進行后續化學鍍復合鍍工藝。因鈦合金屬于難鍍金屬，預鍍一層鎳后有利于進行后續的化學復合鍍工藝[8]。

2.2 鍍液組成與工藝條件

表1 鍍液組成及工藝條件

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

本試驗在傳統鍍液中同時添加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合金發生共沉積現象，經過吸附、鑲嵌、包埋三個階段，如圖1所示。

圖1 Ni-P-PTFE-SiC復合鍍層的剖面結構

3 復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復合鍍層呈暗灰色，臘光表面；Ni-P-SiC復合鍍層呈深灰色，；Ni-PPTFE-SiC復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復合鍍層的微觀形貌，復合鍍層中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。（c）為Ni-P-SiC復合鍍層的微觀形貌，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、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行硬度測試。在室溫下即熱處理之前，對各鍍層進行硬度測試；然后分別進行400℃下的熱處理，再測試各鍍層的硬度。硬度測試結果如表2所示。

表2 不同鍍層的硬度值（HRC）

由實驗數據可知，熱處理前，Ni-P-PTFE復合鍍層硬度最小，而Ni-P-SiC復合鍍層的硬度最大，Ni-P-PTFE-SiC復合鍍層的硬度介于Ni-P鍍層和Ni-P-SiC復合鍍層之間。熱處理后，鍍層硬度均有不同程度增加，其中Ni-P-SiC復合鍍層的硬度明顯提高，Ni-P-PTFE-SiC復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復合鍍層、Ni-P-SiC復合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復合鍍層的摩擦系數隨摩擦時間的變化（見圖3）。

圖3 四種鍍層在磨損過程中的摩擦系數變化

圖3為Ni-P鍍層、Ni-P-PTFE復合鍍層、Ni-P-SiC復合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復合鍍層在50N、50r/min磨損條件，10min內的摩擦系數隨時間的變化情況。Ni-P-SiC復合鍍層摩擦系數較高，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，這是由于硬質SiC微粒包埋和鑲嵌在復合鍍層中，Ni-P鍍層的摩擦系數大約在0.4左右，Ni-PPTFE復合鍍層摩擦系數下降至0.2，且摩擦系數變化幅度很小，摩擦過程非常平穩，表明復合鍍層中的軟質PTFE微粒起到了自潤滑減摩作用，Ni-P-PTFE-SiC復合鍍層的摩擦系數約0.3，磨損過程較平穩，復合鍍層中的軟質PTFE微粒和硬質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復合鍍層、Ni-P-SiC復合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復合鍍層在50N、50r/min磨損條件，10min內的磨損量測試結果。其中Ni-P鍍層的磨損量最大為0.684 mg，復合鍍層的磨損量均低于Ni-P鍍層，說明Ni-PPTFE復合鍍層、Ni-P-SiC復合鍍層和Ni-P-PTFE-SiC復合鍍層均具有良好的減摩耐磨性能。其中Ni-P-PTFE-SiC復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，同時復合鍍層中PTFE微粒起到了減摩潤滑的作用，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自潤滑層，起減摩作用，進一步提高了復合鍍層耐磨性[9-10]。

表3 四種鍍層在磨損試驗過程中的磨損量

4 結論

1）經過打磨、除油、超聲清洗、酸洗活化、閃鍍底層鎳等前處理工藝后進行Ni-P-PTFE-SiC復合鍍工藝處理，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復合鍍層。鍍層表面平整光滑，呈暗灰色。

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

3）本實驗條件下，Ni-P-PTFE-SiC復合鍍層的摩擦系數降至0.3左右，磨損量僅為0.192mg，摩擦磨損過程較平穩，說明Ni-P-PTFE-SiC復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

長春師范大學大學生創新創業訓練項目“鈦合金Ni–P–PTFE–SiC復合鍍工藝研究”（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。